李稱心

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039 ）

我國(guó)煤層氣資源豐富，以沁水盆地的岳城煤礦為例，該礦主采3 號(hào)煤層，由于長(zhǎng)期開采，形成的采空區(qū)蘊(yùn)藏了豐富的煤層氣，具有較好的資源開發(fā)價(jià)值。由于產(chǎn)能續(xù)接，現(xiàn)開采9 號(hào)煤層、15 號(hào)煤層，因瓦斯含量較高，須進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。無論是開發(fā)采空區(qū)煤層氣還是15 號(hào)煤層瓦斯預(yù)抽，都涉及采空區(qū)地層的鉆井。在煤礦采空區(qū)鉆進(jìn)中經(jīng)常發(fā)生鉆井液惡性漏失、卡鉆、下套管遇阻、固井漏失等一系列施工難題，很大程度上制約了煤礦采空區(qū)煤層氣資源的開發(fā)進(jìn)度[1-6]。

1 研究背景

1.1 采空區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)

岳城煤礦位于沁水煤田南部，地層發(fā)育正常，地層自上而下依次鉆揭：第四系、第三系、三疊系劉家溝組、二疊系石千峰組、二疊系石盒子組、二疊系山西組、石炭系太原組、石炭系本溪組、奧陶系峰峰組。

3 號(hào)煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頂板主要為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖；底板主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，厚度5.7～7.48 m，平均6.31 m。9 號(hào)煤層位于太原組中部，沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接頂板為粉砂巖，局部為泥巖，厚度0.48～2.44 m，平均1.34 m。15 號(hào)煤層位于太原組下部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接頂板為石灰?guī)r，局部為泥巖，底板為泥巖，厚度1.48～5.45 m，平均2.67 m。根據(jù)取心測(cè)試顯示，岳城礦3 號(hào)煤層含氣量為4.24～28.96 m3/t，平均為19.51 m3/t；9 號(hào)煤層含氣量為2.87～31.94 m3/t，平均為17.84 m3/t；15 號(hào)煤層含氣量為15.12～31.46 m3/t，平均為24.10 m3/t。

岳城煤礦采用“垮落式長(zhǎng)壁開采工藝”和“一次采全高”為主要采煤工藝開采3 號(hào)煤層后，形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，根據(jù)采空區(qū)“三帶”經(jīng)驗(yàn)公式，大致計(jì)算出垮落帶及導(dǎo)氣帶高度，為鉆井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供支撐。

該礦區(qū)3 號(hào)煤層埋深在450～490 m，平均深度478 m。3 號(hào)煤層頂板主要為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖；底板主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，平均厚度為6.31 m，選擇中硬巖性作為計(jì)算公式比較接近。則垮落帶最大高度Hm=15.2 m；裂隙帶最大高度Hl=51.7 m。

1.2 采空區(qū)鉆井難點(diǎn)

由于采空區(qū)地層裂隙帶發(fā)育，段長(zhǎng)最大達(dá)到60～70 m，且裂隙尺寸較大，分布無規(guī)律，鉆井過程中極易發(fā)生失返性漏失。而采用常規(guī)堵漏技術(shù)，橋堵無法實(shí)現(xiàn)合理顆粒級(jí)配；水泥堵漏，由于與鉆井液的相容性較差，易發(fā)生閃凝或遲凝現(xiàn)象，且受煤層氣井低溫、低密度條件限制，短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度不高；凝膠堵漏，因凝膠具有較好的流動(dòng)性，短時(shí)間不易在漏失通道內(nèi)停留，且強(qiáng)度不高。上述技術(shù)均難以滿足“進(jìn)得去，站得住、硬得起”的堵漏要求，造成采空區(qū)煤層氣井鉆井井漏問題始終無法解決。

2 室內(nèi)研究

固化堵漏液是固井技術(shù)與堵漏技術(shù)相結(jié)合形成的一種新工作液，目前應(yīng)用于惡性漏失堵漏、低溫低密度固井。雖然現(xiàn)有固化堵漏液研究成果較多，但溫度多在50 ℃以上，均以解決固井堵漏為主[7-15]，沒有針對(duì)煤層氣井鉆井堵漏提出可行性研究。結(jié)合煤礦采空區(qū)井淺、溫度低、下部地層裂隙發(fā)育且尺寸大等特點(diǎn)，通過膠凝材料、外加劑的選擇以及實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試等手段，研究一種鉆井用固化堵漏液，滿足煤礦采空區(qū)鉆井安全的要求，為煤礦采空區(qū)煤層氣資源開發(fā)奠定施工基礎(chǔ)。

2.1 性能評(píng)價(jià)

2.1.1 固化劑物化特性

礦渣來源于高爐冶煉生鐵時(shí)的副產(chǎn)物，在1400～1500 ℃下由鐵礦石的土質(zhì)成分和石灰石助溶劑溶融化后水萃處理急劇冷卻形成，是一種有效的膠結(jié)材料，在固化堵漏液中提供凝結(jié)物質(zhì)，其化學(xué)組成見表1。由表1 可知，CS95 礦渣的M、K值均大于其余2 種型號(hào)的礦渣，因此選擇CS95 作為固化劑。同時(shí)，CS95 礦渣中CaO、SiO2含量最高，超過了27%，Al2O3含量也超過了9%，這些成分為固化體提供較高強(qiáng)度的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 常用礦渣的化學(xué)組成及物理特性 %

2.1.2 懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

懸浮穩(wěn)定劑的作用是提供懸浮能力，使?jié){體混合均勻、性能穩(wěn)定。室內(nèi)對(duì)常用的3 種懸浮穩(wěn)定劑：HEC、GYW-1、CMC 在推薦加量下進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。由表2 可知，CMC 較HEC、GYW-1表現(xiàn)出較好的懸浮穩(wěn)定性，且其較優(yōu)加量為0.5%。

表2 懸浮劑的懸浮穩(wěn)定性效果

2.1.3 激活劑對(duì)礦渣的激活評(píng)價(jià)

對(duì)常用的3 種激活劑JHQ、JHT、JHG 形成的固化體早期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表3。

表3 幾種激活劑不同加量的抗壓強(qiáng)度值

由表3 可以看出，在相同的低溫下（30 ℃）和相同的加量下，激活劑JHQ 的抗壓強(qiáng)度最大，且隨著加量（2%～6%）的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在加量5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2.1.4 溫度對(duì)固化體抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)于密度1.3 和1.6 g/cm3的固化液形成的固化體在30、40、50 ℃溫度下養(yǎng)護(hù)，如表4 所示,其固化體的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；且固化體1 d抗壓強(qiáng)度不小于5 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度不小于12 MPa，可以滿足封固堵漏要求。

表4 不同密度、不同溫度條件下形成固化體的抗壓強(qiáng)度

2.1.5 固化堵漏液常規(guī)性能

由表5 可知：固化堵漏液隨著密度的增加（1.3到1.6 g/cm3）和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)（1 d 到7 d），形成的固化體抗壓強(qiáng)度由5.06 增加至14.06 MPa；具有較好的流動(dòng)性（流動(dòng)度≥18 cm），可以滿足泵送要求;具有較寬的稠化時(shí)間調(diào)節(jié)（45 min 到86 min），不會(huì)出現(xiàn)早凝或遲凝現(xiàn)象，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏施工安全以及堵漏要求。

表5 固化堵漏液常規(guī)性能

2.2 微觀測(cè)試與分析

2.2.1 SEM/EDS測(cè)試

將化堵漏液在30 ℃下養(yǎng)護(hù)1 d、7 d，對(duì)固化體進(jìn)行SEM/EDS 測(cè)試。由圖1 可以看出，礦渣在激活劑作用下，經(jīng)過1 d、7 d 水化后，其玻璃體結(jié)構(gòu)被破壞，表面及間隙中覆蓋和充滿水化產(chǎn)物，同時(shí)，部分富鈣相脫離出來，產(chǎn)生新的凝膠，且其水化產(chǎn)生的凝膠相互填充，使得固化體的結(jié)構(gòu)越來越致密，為固化體提供較高的抗壓強(qiáng)度。

圖1 礦渣與固化體（1.3 g/cm3，30 ℃）的SEM/EDS 測(cè)試

對(duì)礦渣及固化體的元素種類及含量進(jìn)行分析。由表6 可知，礦渣及固化體的化學(xué)組成元素基本一致，主要由C、O、Mg、Al、Si、Ca 元素組成。固化體中O、Na 含量相比礦渣明顯增加，其中O平均含量增至39.5%，Na 平均含量增至3.9%，是固加入了5%激活劑導(dǎo)致；而Mg、Al、Si、Ca 含量比礦渣明顯降低，因?yàn)榈V渣與一定量的水配制，導(dǎo)致元素含量降低，也說明分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。

表6 礦渣與密度1.3 g/cm3 固化體EDS 元素分析 %

2.2.2 XRD測(cè)試

將固化堵漏液（密度1.3 g/cm3）在30 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)1 d、7 d，對(duì)固化體進(jìn)行XRD 檢測(cè)，見圖2。由XRD 圖譜可知，低溫環(huán)境下，礦渣經(jīng)過1 d 水化形成的固化體，其產(chǎn)物主要為C—S—H 凝膠、沸石類礦物。礦渣水化7 d 后，C—S—H 凝膠和沸石類礦物的數(shù)量有所增加。同時(shí)，水化產(chǎn)物中有莫來石，進(jìn)一步說明固化體中有C—S—H、C—A—S—H 凝膠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，且固化體隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，凝膠結(jié)構(gòu)增多，其強(qiáng)度也增大。

圖2 固化體XRD 測(cè)試

2.3 固化劑水化機(jī)理

在堿激活劑作用下，固化堵漏液中產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱，促使礦渣玻璃體的表面破壞發(fā)生與加劇。礦渣玻璃體表面的富鈣相中Ca2+離子與OH-離子發(fā)生反應(yīng)，生成Ca（OH）2，則礦渣內(nèi)部的活性物質(zhì)富硅相結(jié)構(gòu)就暴露在堿性環(huán)境中，促進(jìn)礦渣繼續(xù)水化，生成C—S—H、C—A—S—H 凝膠物質(zhì)，并相互充填，使得水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)愈來愈致密，宏觀表現(xiàn)為礦渣固化體的強(qiáng)度不斷增加。因此，配方中堿激活劑是為固化堵漏液在低溫下持續(xù)水化反應(yīng)產(chǎn)生凝膠物質(zhì)提供反應(yīng)熱量及活性環(huán)境。

2.4 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)

2.4.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

自制一個(gè)透明的長(zhǎng)方體（30 cm×30 cm×60 cm），在長(zhǎng)方體裝置內(nèi)用粒徑2～10 cm 砂石（粒徑≥5 cm 砂石顆粒不超過全重的30%）構(gòu)成3～20 mm 裂縫；在裂隙中放置1 個(gè)長(zhǎng)為30 cm、半徑為3 cm 人工井眼，并將井眼與裂隙連通。按照實(shí)驗(yàn)配 方：100% 水+5%JHQ+0.5%CMC+55%礦渣配制固化堵漏液2000 mL，導(dǎo)入人工井眼，觀察堵漏過程。到達(dá)固化時(shí)間后，取出碎散的砂石，進(jìn)一步觀察固化堵漏效果，驗(yàn)證固化堵漏原理。

2.4.2 模擬試驗(yàn)效果

如圖3 所示，配制的固化堵漏液具有較好的流動(dòng)性，由人工井眼進(jìn)入裂隙中流動(dòng)。達(dá)到稠化時(shí)間（約90 min），固化堵漏液不再繼續(xù)往裂隙深部漏失。固化堵漏液在漏失裂隙內(nèi)形成固化體堵住裂隙，測(cè)試其固化體1 d 抗壓強(qiáng)度為5.12 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為12.36 MPa。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)過程與效果圖

以礦渣為膠凝材料的可固化堵漏液，在配制初期玻璃體還未受破壞時(shí)的流動(dòng)性很好，在堵漏中易進(jìn)入漏失地層，起到“進(jìn)得去”的作用。礦渣玻璃體在堿激發(fā)作用下，呈現(xiàn)很強(qiáng)的觸變性，并可在45～90 min 后稠度即迅速增加，這阻止了堵漏液進(jìn)一步向煤層氣地層深處流失，堵漏液起到了“站得住”的作用。形成的固化體在低溫條件下抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，在漏層中發(fā)揮“硬得起”的作用，可在短時(shí)間內(nèi)提高地層承壓能力，實(shí)現(xiàn)堵漏目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

YC-CK-X01 井采用三開井身結(jié)構(gòu)，在二開進(jìn)行了固化堵漏施工。

YC-CK-X01 井一開用φ444.5 mm 鉆頭鉆進(jìn)至井深60 m，進(jìn)入基巖10 m 完鉆，下入φ339.7 mm套管，固井，水泥漿返至地面，候凝24 h。

二開采用φ311.2 mm 鉆頭鉆進(jìn)至井深430 m，井口返漿減少，測(cè)算漏速大約為6 m3/h。判斷進(jìn)入采空區(qū)裂隙帶上部地層，現(xiàn)場(chǎng)配制足量的鉆井液，準(zhǔn)備強(qiáng)鉆10～20 m。鉆進(jìn)至井深437 m，泵壓下降至4.5 MPa，井口返漿進(jìn)一步減少，測(cè)算漏速大約為15 m3/h，考慮二開套管能安全下入，并保證固井質(zhì)量，決定二開就此井深完鉆，組下光鉆桿鉆具準(zhǔn)備堵漏。

地面配制固化堵漏液8 m3，循環(huán)30 min；光鉆桿下至井深410 m，往漏失地層泵入堵漏液5 m3，并用鉆井液頂替4 m3，起鉆，并候凝24 h。組下鉆塞鉆具，下鉆至井深415 m 遇阻，循環(huán)鉆井液，沒有漏失。采用小排量、低鉆壓鉆塞，鉆至436 m，井口返漿正常，繼續(xù)鉆塞至井深437 m，井口返漿仍正?！，F(xiàn)場(chǎng)開始循環(huán)驗(yàn)漏，將循環(huán)排量逐步恢復(fù)至正常鉆進(jìn)時(shí)的排量，循環(huán)0.5 h，泵壓6 MPa 不降，井口返漿仍然正常，堵漏成功。下入φ244.5 mm 套管至井深437 m，循環(huán)鉆井液0.5 h，井口返漿正常，沒有發(fā)生漏失。泵入1.85 m3水泥漿20 m3，投放膠塞，頂替16 m3，井口返出水泥漿，泵壓瞬間上升至12 MPa，固井完成。候凝48 h，測(cè)聲幅，聲幅質(zhì)量全井合格，其中435～415 m，固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

三開采用φ215.9 mm 鉆頭下鉆至井深436 m遇阻，采用小排量、低鉆壓鉆塞。鉆進(jìn)至井深437 m，井口返漿正常，且返出來有膠塞碎渣。開始三開鉆進(jìn)，鉆揭新地層，鉆進(jìn)至井深447 m，井口返漿正常，沒有發(fā)生漏失。繼續(xù)鉆進(jìn)至井深467 m，發(fā)生漏失，井口返漿明顯減少，測(cè)算漏速大約在10 m3/h，繼續(xù)鉆進(jìn)至井深470 m，鉆速加快，漏速加大，井口失返。現(xiàn)場(chǎng)決定采用清水強(qiáng)鉆至3#煤層底板。清水強(qiáng)鉆至井深496 m，鉆速變慢，判斷進(jìn)入3#煤層底板。為確保鉆穿3#煤層，現(xiàn)場(chǎng)鉆壓加大至8～10 t，強(qiáng)鉆至井深506 m 完鉆，裸眼完井。

堵漏效果與分析如下。

1）二開采用固化堵漏液成功堵住采空區(qū)裂隙帶上部漏失地層，并且通過固井質(zhì)量驗(yàn)證了堵漏效果很好。

2）驗(yàn)證堵漏采用循環(huán)驗(yàn)漏的思路，即堵漏井段灌滿鉆井液（密度為1.15 g/cm3），循環(huán)鉆井液，泵壓穩(wěn)定在6 MPa，則堵漏后形成的固化體承壓達(dá)到：P1=P鉆井液=ρ鉆井液gh=1.15×0.00981×437=4.93 MPa，P2=P水泥漿=ρ水泥漿gh=1.85×0.00981×437=7.93 MPa，具有較高的承壓能力。同時(shí)，驗(yàn)漏試驗(yàn)也為固井施工提供了技術(shù)支撐。

3）二開鉆揭采空區(qū)裂隙帶上部漏失地層，發(fā)生了失返性漏失，通過固化堵漏工藝，三開鉆揭采空區(qū)裂隙帶中上部地層，沒有發(fā)生明顯漏失，說明堵漏液在漏失地層起到了封固、堵漏的效果，并沒有沿著漏失通道不斷流動(dòng)。

4）該井裂隙帶、垮落帶深度及高度與地質(zhì)資料、計(jì)算公式基本吻合。實(shí)鉆導(dǎo)氣帶段長(zhǎng)為h導(dǎo)氣=h底板-h漏失=496-430=66 m，而經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算H導(dǎo)氣=H裂隙+H垮塌=51.7+15.2=66.9 m。

5）該井施工鉆井周期為一開使用天數(shù)2 d，二開使用天數(shù)8 d，三開使用天數(shù)2 d，累計(jì)使用天數(shù)12 d，大大減少了因漏失處理造成的工期損失。

4 結(jié)論

1.研制的固化堵漏液配方可以滿足惡性漏失堵漏的要求，適用于煤層氣采空區(qū)鉆井堵漏。

2.通過室內(nèi)性能評(píng)價(jià)及微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試，分析了固化劑的水化機(jī)理，水化產(chǎn)物主要是C—S—H、C—A—S—H 凝膠，使得固化體的抗壓強(qiáng)度較高。

3.通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了研制的固化堵漏液滿足“進(jìn)得去，站得住、硬得起”的堵漏要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了很好的效果。