顧 軍，李林蔚，孫德興

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煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度影響試驗(yàn)

顧 軍，李林蔚，孫德興

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

為了控制煤層氣井開采過程中的水竄問題，采用自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置對沁水盆地晉城地區(qū)煤層氣樣品進(jìn)行模擬試驗(yàn)，獲得了井斜角分別為0°、30°、60°、90°條件下隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)理。結(jié)果表明：隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度隨井斜角的增大而降低，原因是隨著井斜角增大，井壁的泥餅環(huán)上部依次變薄，下部依次變厚，井斜角到90°時(shí)達(dá)到最厚，且隨著泥餅的變厚，泥餅成分中黏土礦物的成分逐漸減少，鉆屑和重晶石的含量逐漸增多。分析還認(rèn)為，影響隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度主要因素有黏聚力、泥餅的含水率、顆粒密實(shí)程度、顆粒結(jié)構(gòu)和礦物成分。因此，煤層氣井型對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響較大，即若采用水平井開采煤層氣，可能水竄問題更突出。

煤層氣井；井斜角；隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度；泥餅厚度；影響規(guī)律

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源[1-2]。雖然沁水盆地晉城地區(qū)高煤級煤儲層煤層氣已實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)[3-4]，但是水竄(即突水)問題一直影響著煤層氣高效開采[5-10]。針對礦井采動煤層底板突水(即水竄)問題，前人進(jìn)行了長期的持之以恒的探索和研究，形成了10余種煤層底板突水理論和預(yù)測方法，即底板相對隔水層理論、底板突水系數(shù)理論、巖體水壓應(yīng)力理論、“強(qiáng)通道滲流”理論、“下三帶”理論、“原位張裂與零位破壞理論”、板模型理論、底板隔水關(guān)鍵層理論、遞進(jìn)導(dǎo)升理論、“封閉不良鉆孔側(cè)壁突水理論”和非線性動力學(xué)方法、數(shù)值模擬方法等[11-29]。這些理論和方法對解決礦井采動煤層底板突水問題無疑是十分有益的，且取得了較為滿意的應(yīng)用效果。但是，煤層氣井與礦井既有相似性又有差異性：相似性是指垂向上它們所經(jīng)歷的地層及其層系結(jié)構(gòu)基本一致；差異性是絕大多數(shù)煤層氣井必須下入套管且用水泥漿封隔套管與地層之間的環(huán)形空間，即煤層氣井與常規(guī)油氣井的井筒結(jié)構(gòu)是類似的。因此，若仍沿用現(xiàn)有的礦井采動煤層底板突水理論和預(yù)測方法尚不能完全解決煤層氣井的水竄問題，不能滿足煤層氣高效開發(fā)的需要。研究表明，底水上竄的通道是隔水層界面(即隔水層巖體與水泥漿的膠結(jié)面)[30-31]，根源是鑲嵌于隔水層巖體與水泥漿之間的泥餅導(dǎo)致隔水層界面膠結(jié)差，且無論泥餅多薄，都會致使隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度降低[31-33]，即一旦生產(chǎn)壓差過大或控制不當(dāng)，底水就會突破隔水層界面而水淹儲層，使油氣井含水率由正常的3%~5%突然上升到100%[30]。煤層氣井內(nèi)隔水層界面水竄通道形成演化過程和竄流模型已有研究報(bào)道[34-35]，但煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于此，采用自主構(gòu)建的試驗(yàn)裝置，對沁水盆地晉城地區(qū)煤層氣樣品進(jìn)行大量模擬試驗(yàn)，獲得隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度與井斜角之間的關(guān)系，試圖揭示井斜角對煤隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)理，以期為煤層氣井型選擇提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

水竄試驗(yàn)所用的完井鉆井液取自沁水盆地南部胡底井田煤層氣井HD012井，該井采用PAM 防塌鉆井液體系，配方為0. 4% PAM + 0. 6% FA367 + 0. 5% NaOH + 5%KCl，井深為915 m，地層溫度為45 ℃；固井水泥漿配方為API-G級油井水泥(葛洲壩水泥廠生產(chǎn))+100%微珠+0.4%分散劑+3%縮水劑+3%早強(qiáng)劑+91%自來水，添加劑均為沁水盆地實(shí)際固井所用；環(huán)氧樹脂為市售品。仿地井筒(模擬隔水層)制備用水泥為市售建筑水泥(湖北軍峰建材有限公司)，膠結(jié)劑為自制，水為自來水。

1.2 試驗(yàn)主要參數(shù)

a. 仿地井筒參數(shù)

煤層氣井內(nèi)隔水層的滲透率為(0.003~17.119)× 10–3μm2，平均約為0.178×10–3μm2[36]，因此，通過不同物料配方的滲透率測試，確定了物料配方為180 g水泥+20 g膠結(jié)劑+43 mL水，其制備出的模擬隔水層仿地井筒的滲透率平均值為0.289×10–3μm2，孔隙度為7%[34]。隔水層界面水竄試驗(yàn)用仿地井筒的外筒直徑55 mm，內(nèi)筒直徑20 mm，高度為35 mm左右；隔水層界面抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)用仿地井筒的外筒直徑100 mm，內(nèi)筒直徑33 mm，高度為60 mm左右。

b. 泥餅厚度

煤層氣井鉆井的泥餅厚度多為0.1~0.5 mm[37]，本次試驗(yàn)制備的泥餅厚度選擇為0.5 mm。

1.3 試驗(yàn)條件

鑒于沁水盆地南部胡底井田煤層氣井井深和儲層情況，因此選擇的試驗(yàn)樣品養(yǎng)護(hù)溫度45 ℃、常壓，養(yǎng)護(hù)方式為浴養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d。

1.4 試驗(yàn)裝置與方法

a. 地層井斜角控制制備裝置

選取0°、30°、60°、90°分別模擬直井、常規(guī)定向井、大斜度定向井、水平井，探究井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律。鑒于實(shí)驗(yàn)室所制作的仿地井筒在傾斜一定角度后，筒內(nèi)的鉆井液會流出，因此，試驗(yàn)選取五金店里銷售的對應(yīng)仿地井筒井眼尺寸的直角彎頭來解決這個(gè)問題。同時(shí)，選取一種膠皮，將中間的井眼尺寸大小的那部分剪掉，與直角彎頭用AB膠粘合起來，作為一個(gè)整體。這個(gè)整體部分同仿地井筒用黃油粘合起來后，不僅可以保證井筒在傾斜后，里面流體不會流出，起密封作用外，同時(shí)還可以模擬實(shí)際水平井情況下的直井段部分。

為制作30°和60°這2個(gè)特定角度的控制裝置，首先確定制作材料，由于鋁片質(zhì)輕、可塑性好，且彎曲后具有一定的強(qiáng)度，因此選用厚度為0.8 mm的鋁板。選取仿地井筒12個(gè)(每個(gè)角度各選3個(gè))，首先在每個(gè)仿地井筒底部涂上黏性密封材料黃油，用玻片粘好，這樣倒入鉆井液和水泥漿的時(shí)候，就不會從底部流失。接著將30°、60°、90°這3個(gè)角度對應(yīng)的9個(gè)仿地井筒的上部涂上黃油，將直徑段防漏裝置粘好。由于0°的井斜角對應(yīng)的為直井，上部無需防漏裝置，即將粘好的仿地井筒放置在對應(yīng)的角度控制架上面，制作好的組合試驗(yàn)樣品如圖1所示(以井斜角30°為例)。

b. 不同井斜角條件下泥餅形成方法

取出足量的鉆井液，倒入漿杯，放置在攪拌器下攪拌均勻，然后依次倒入仿地井筒。靜止一段時(shí)間，讓鉆井液滲透濾失，在仿地井筒的模擬井壁上形成泥餅。然后取下部的玻片和上部的直徑段防漏裝置，倒出鉆井液，用玻璃棒小心刮拭壁面的泥餅。根據(jù)井筒傾斜的情況，鉆井液在井壁上濾失形成泥餅的過程中，井壁的下部由于受重力作用，鉆井液的濾失造壁作用要強(qiáng)于上部井壁，因此，形成的泥餅也應(yīng)該是下部的泥餅層致密厚實(shí)，上部的泥餅層松散虛薄一點(diǎn)。因此，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用泥餅厚度精細(xì)控制裝置制備泥餅[38]，且在刮拭的過程中保證30°、60°、90°這3個(gè)角度對應(yīng)的仿地井筒的上部(即仿地井筒對應(yīng)重力方向的頂部)泥餅厚度在0.3 mm左右，下部(即仿地井筒對應(yīng)重力方向的底部)泥餅在0.5 mm左右。0°對應(yīng)的3個(gè)仿地井筒的泥餅厚度都控制在0.5 mm左右。刮拭完畢后用小刀刀刃切入泥餅深度檢查泥餅厚度(刀刃厚度為1 mm)。整個(gè)模擬井壁過程如圖2所示。

圖1 井斜角控制裝置試驗(yàn)樣品示意圖(井斜角為30°)

圖2 模擬泥餅示意圖

c. 灌注水泥漿

將制備好泥餅的仿地井筒、直井段防漏裝置和玻片用黃油粘結(jié)好，再將樣品放入水浴養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，而起密封作用的黃油在高溫水的作用下其粘結(jié)作用就大大降低，直井段防漏裝置就會滑落，因此，用2條橡皮筋將整個(gè)裝置束緊固定住，這樣樣品在養(yǎng)護(hù)過程中，直井段防漏裝置就不會滑落了。然后，依次按試驗(yàn)井斜角大小順序?qū)⒏鱾€(gè)樣品放置在傾斜鋁板上。接著，按照API規(guī)范10將配制好的水泥漿倒入仿地井筒中，保證水泥漿完全充滿在仿地井筒內(nèi)，在水泥漿水化完畢后可以和巖心完全膠結(jié)，在傾倒水泥漿的時(shí)候，將試驗(yàn)裝置傾斜到足夠角度后將水泥漿緩緩倒入，保證裝置內(nèi)空氣全部排出。倒入完畢后用小鐵絲攪拌一下，以排除里面的氣泡，且避免破壞壁面的泥餅。灌注好水泥漿的試驗(yàn)樣品如圖3所示。

圖3 灌注水泥漿

d. 試驗(yàn)樣品的水浴養(yǎng)護(hù)

將試驗(yàn)樣品靜置0.5 h左右，按順序放入特制水浴養(yǎng)護(hù)箱。養(yǎng)護(hù)溫度為45℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d。為了保證每次12個(gè)樣品(4組井斜角，每組3個(gè))的養(yǎng)護(hù)條件相同，即水都是通過仿地井筒滲透進(jìn)入隔水層界面而非直接從井眼處滲入，保證水位要低于仿地井筒高度。同時(shí)，考慮到PVC防漏裝置的重復(fù)利用，將仿地井筒放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)3~4 h后，在水泥漿喪失流動能力且尚未完全凝固時(shí)，拆除PVC防漏裝置(圖4)，將裝置內(nèi)的半凝固狀水泥清除干凈后，以備下次使用。這樣不僅可以重復(fù)利用PVC防漏裝置的直角彎頭，同時(shí)也便于養(yǎng)護(hù)完畢后的隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度測試。

圖4 試驗(yàn)樣品的水浴養(yǎng)護(hù)示意圖

e. 仿地井筒制備、隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度等試驗(yàn)方法參見文獻(xiàn)[39]。

f. 環(huán)境掃描電子顯微鏡測試采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，X射線衍射測試測試采用荷蘭PANalytical B.V.公司生產(chǎn)的X’Pert PRO DY2198型X射線粉末衍射儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響

經(jīng)過3次(每次12個(gè)樣品)的模擬試驗(yàn)，其中，后2次為重復(fù)驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度隨著井斜角的增大而降低，第2次驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與第1次的較為接近，而第3次驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與第1次和第2次的差別較大，原因可能與樣品制作過程存在誤差有關(guān)。但總體上，3次試驗(yàn)結(jié)果均能反映出井斜角與隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖5 井斜角與隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系圖

2.2 井斜角對隔水層界面泥餅特性的影響

a. 4組井斜角下井筒上下部泥餅組分測試對比分析

4組井斜角對應(yīng)的試驗(yàn)樣品，除了0°井斜角對應(yīng)的樣品以外，另外3組井斜角對應(yīng)的井筒泥餅在形成過程中，所受重力不均勻，在井筒上下兩處形成的泥餅組分也不一樣。選取90°井斜角對應(yīng)的試驗(yàn)樣品，分別切取兩小塊試驗(yàn)樣品，對其做ESEM測試(圖6)。對井筒下部泥餅的XRD分析測試結(jié)果如圖7和表1所示。

可以看出：

① 井筒下部泥餅的主要物質(zhì)成分(表1)為蒙脫石、伊利石、方解石、石英和重晶石。其中，蒙脫石和伊利石主要來自于配制鉆井液基漿的膨潤土和泥頁巖地層，方解石和石英為鉆進(jìn)過程中來自地層的巖屑，重晶石是鉆井液中的加重材料。

圖6 井筒上下部泥餅ESEM測試結(jié)果圖

圖7 井筒下部泥餅的XRD圖譜分析(圖中數(shù)據(jù)為X射線衍射強(qiáng)度，cps)

表1 井筒下部泥餅組分的分析結(jié)果

②顆粒較小的物質(zhì)為黏土礦物和粒徑較小的鉆屑成分，顆粒較大的物質(zhì)為粒徑較大的鉆屑和重晶石成分。圖6a上部井壁泥餅中物質(zhì)大部分為顆粒較小物質(zhì)，且堆積有序均勻。而圖6b下部井壁泥餅中物質(zhì)所含黏土礦物就比上部泥餅少很多，有很多大顆粒較大物質(zhì)，且堆積雜亂無章。分析其原因，這很可能是由于鉆井液在形成泥餅過程中所受重力不均引起的，導(dǎo)致井壁上下兩處的泥餅成分物質(zhì)不均。

b. 4組井斜角對應(yīng)的井筒底部泥餅組分ESEM測試分析

選取每組井斜角對應(yīng)的試驗(yàn)樣品，分別切取其井筒底部的一小塊，對附著在上面的泥餅界面作ESEM測試分析，測試結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，0°井斜角對應(yīng)的井筒底部泥餅的成分中，黏土礦物含量最多，含有少量的鉆屑成分，基本沒有重晶石，且各組分顆粒間的堆積也均勻密實(shí)。但隨著井斜角的增大，黏土礦物含量減少，鉆屑成分和重晶石含量逐漸增多，且顆粒間的堆積也更加雜亂，顆粒間孔隙較多、較大。究其原因，可能是隨著井斜角的增大，受重力不均的影響，質(zhì)量較大的鉆屑和重晶石會越來越往井壁底部沉降堆積，含量增大，且因?yàn)轲ね恋V物、鉆屑和重晶石粒徑上的差異性，導(dǎo)致顆粒間的孔隙較大，堆積連結(jié)不好，導(dǎo)致膠結(jié)也逐漸變差。

2.3 井斜角對隔水層界面泥餅形成規(guī)律的影響

4組試驗(yàn)裝置及形成的泥餅示意圖如圖9所示。井斜角為0°時(shí)，由于井筒周圍所受力相對均勻，因此鉆井液在井壁上發(fā)生造壁濾失作用的時(shí)候，也是比較一致的(圖9a)。因此，固相成分慢慢沉積附在井壁上的速度是相同的，這樣，井斜角為0°時(shí)，井壁四周所形成的泥餅厚度達(dá)到一致。

圖8 不同井斜角下井筒底部泥餅ESEM測試結(jié)果圖

圖9 不同井斜角時(shí)井壁形成泥餅的示意圖

當(dāng)泥餅中最薄弱一點(diǎn)被剪切破壞時(shí)，整個(gè)泥餅土體即會發(fā)生破壞。由于0°井斜角裝置其對應(yīng)井壁四周的泥餅厚度是相對均勻的，因此隔水層界面最先被破壞的位置是不確定而完全隨機(jī)的，井壁泥餅四周任意一處都有可能。

井斜角為30°時(shí)，井筒由于所受重力的影響，鉆井液在井壁四周發(fā)生造壁濾失作用是不一致(圖9b)。當(dāng)鉆井液浸泡在井筒里時(shí)，鉆井液由于受到向下的重力作用，對井壁上部的濾失作用減弱，然后沿著井壁向下，濾失作用逐漸加強(qiáng)，然后一直到井壁底部達(dá)到最強(qiáng)。井壁頂部由于受到濾失作用較弱而形成的泥餅最薄，而底部的泥餅最厚，中間的泥餅從上至下依次增厚，形成一個(gè)厚度不均、從上往下依次遞增的環(huán)狀層。

因此，由于井筒底部的泥餅最厚，其泥餅顆粒間的間距要比上部的泥餅顆粒間距大，泥餅顆粒間的靜電作用、范德華力等分子作用力要小很多。同時(shí)，厚度較大的泥餅因其壓實(shí)作用要比厚度小的泥餅要難很多，導(dǎo)致其密實(shí)程度也要比上部厚度小的泥餅弱，顆粒之間的摩擦也要大大減小。因?yàn)轭w粒間距大，密實(shí)程度低，則井筒底部泥餅的含水率也要比井壁上部泥餅的含水率要高。綜合分析這些原因，井筒底部最厚的泥餅其抗剪切強(qiáng)度是整個(gè)泥餅環(huán)中最薄弱的，隔水層界面被破壞時(shí)，是從井筒截面最底部處的泥餅開始的。

井斜角為60°時(shí)，井壁上的泥餅形成規(guī)律與30°井斜角時(shí)泥餅的形成規(guī)律類似(圖9c)，可以看出井筒橫截面上形成的泥餅也是一個(gè)從上至下依次增厚的環(huán)狀層，但由于井斜角達(dá)到60°時(shí)重力對泥餅的形成影響最大，因此，整個(gè)泥餅環(huán)狀層的差異性更加明顯，即相對于30°井斜角對應(yīng)的泥餅環(huán)狀層，60°井斜角對應(yīng)的泥餅層其下部泥餅要更厚，上部更薄。

60°井斜角對應(yīng)的隔水層界面發(fā)生破壞時(shí)，最先被破壞的泥餅也應(yīng)是整個(gè)環(huán)狀層中的底部，其原因與30°井斜角相同。

井斜角為90°時(shí)，井壁上泥餅形成規(guī)律與30°及60°井斜角泥餅形成規(guī)律類似。但此時(shí)的重力作用對其泥餅形成的影響已經(jīng)達(dá)到最大化，泥餅環(huán)狀層更加不均勻，上部更薄，下部更厚，此時(shí)在0°~90°井斜角的范圍當(dāng)中，底部的泥餅厚度達(dá)到最厚。

同理，90°井斜角對應(yīng)的隔水層界面發(fā)生破壞時(shí)，最先被破壞的也是井壁底部的泥餅，其破壞機(jī)理原因和30°、60°井斜角時(shí)隔水層界面被破壞的原因類似，而且底部的泥餅抗剪強(qiáng)度最低，也最為明顯。

3 結(jié)論

a. 隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度隨井斜角的增大而降低，原因是井壁形成的泥餅厚度不一致。隨著井斜角增大，井壁的泥餅環(huán)上部依次變薄，下部依次變厚，井斜角到90°時(shí)達(dá)到最厚。隨著泥餅的變厚，泥餅成分中黏土礦物的成分逐漸減少，鉆屑和重晶石的含量逐漸增多。

b. 影響隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度主要因素有黏聚力、泥餅的含水率、顆粒密實(shí)程度、顆粒結(jié)構(gòu)和礦物成分等。

c. 煤層氣井型對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響較大，即若采用水平井開采煤層氣需更加注意水竄問題。

[1] 郝志勇，岳立新，孫可明，等. 超臨界CO2溫變對低滲透煤層孔滲變化的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2018，46(3)：64–71. HAO Zhiyong，YUE Lixin，SUN Keming，et al. Experiment study on the porosity and permeability of low permeability coal by supercritical CO2temperature variation[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(3)：64–71.

[2] PENG C，ZOU C，YANG Y. Fractal analysis of high rank coal from southeast Qinshui basin by using gas adsorption and mercury porosimetry[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2017，156：235–249.

[3] CAI Y D，LIU D M，YAO Y B，et al. Geological controls on prediction of coalbed methane of No. 3 coal seam in Southern Qinshui basin，North China[J]. International Journal of Coal Geology，2011，88：101–12.

[4] XU H，TANG D Z，LIU D M，et al. Study on coalbed methane accumulation characteristics and favorable areas in the Binchang area，southwestern Ordos basin，China[J]. International Journal of Coal Geology，2012，95：1–11.

[5] LI L C，YANG T H，LIANG Z Z，et al. Numerical investigation of groundwater outbursts near faults in underground coal mines[J]. International Journal of Coal Geology，2011，85：276–88.

[6] 宋巖，張新民，柳少波. 中國煤層氣地質(zhì)與開采基礎(chǔ)理論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012：492–524.

[7] 趙慶波，孫粉錦，李五忠，等. 煤層氣成藏條件、開采特征及開發(fā)適用技術(shù)分析[C]//葉建平，傅小康，李五忠. 中國煤層氣技術(shù)進(jìn)展：2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會論文集. 北京：地質(zhì)出版社，2011：10–22.

[8] 郝麗，段寶玉. 煤層中水對煤層氣產(chǎn)量的影響[J]. 中國煤層氣，2012，9(4)：32–34. HAO Li，DUAN Baoyu. The impact of water in coal seam on CBM yield[J]. China Coalbed Methane，2012，9(4)：32–34.

[9] 尹清奎，焦中華. 焦作某煤層氣井田低產(chǎn)原因分析[J]. 中國煤層氣，2012，9(3)：16–19. YIN Qingkui，JIAO Zhonghua. Analysis of reasons for low yield of certain CBM well in Jiaozuo[J]. China Coalbed Methane，2012，9(3)：16–19.

[10] 汪吉林，秦勇，傅雪海. 關(guān)于煤層氣排采動態(tài)變化機(jī)制的新認(rèn)識[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，18(3)：583–588. WANG Jilin，QIN Yong，F(xiàn)U Xuehai. New insight into the methanism for dynamic coalbed methane drainage[J]. Geological Journal of China Universities，2012，18(3)：583–588.

[11] 李沛濤，武強(qiáng). 底板破壞型采煤工作面突水機(jī)理及治理技術(shù)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(5)：653–656. LI Peitao，WU Qiang. Water-inrush mechanism and government technique of working-face evoked by mining floor damage[J]. Journal of Liaoning Technical University(Natural Science Edition)，2008，27(5)：653–656.

[12] 汪宏志，胡寶林，徐德金. 基于GIS技術(shù)的煤層底板突水危險(xiǎn)性綜合評價(jià)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(10)：82–85. WANG Hongzhi，HU Baolin，XU Dejin. Comprehensive assessment on water inrush danger from mine seam floor base on GIS technology[J]. Coal Science and Technology，2008，36(10)：82–85.

[13] 施龍青. 底板突水機(jī)理研究綜述[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(3)：17–23. SHI Longqing. Summary of research on mechanism of water-inrush from seam floor[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology，2009，28(3)：17–23.

[14] 李連崇，唐春安，李根，等. 含隱伏斷層煤層底板損傷演化及滯后突水機(jī)理分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31(12)：1838– 1844. LI Lianchong，TANG Chun’an，LI Gen，et al. Damage evolution and delayed groundwater inrush from micro faults in coal seam floor[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31(12)：1838–1844.

[15] 尹尚先. 煤層底板突水模式及機(jī)理研究[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(6)：661–665. YIN Shangxian. Modles and mechanism for water inrushes from coal seam floor[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009，29(6)：661–665.

[16] 李偉利，葉麗萍. 基于板模型對采場底板破壞與突水機(jī)理研究[J]. 煤炭技術(shù)，2011，30(1)：88–89. LI Weili，YE Liping. Study of floor failure and water-inrush mechanism based on plate modle[J]. Coal Technology，2011，30(1)：88–89.

[17] 尹立明. 深部煤層開采底板突水機(jī)理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[D]. 青島：山東科技大學(xué)，2011：1–150.

[18] 原偉強(qiáng). 焦村礦水文地質(zhì)條件及二1煤底板突水危險(xiǎn)性評價(jià)[D]. 焦作：河南理工大學(xué)，2011：1–69.

[19] 黃俊. 工作面底板突水機(jī)理研究[D]. 湘潭：湖南科技大學(xué)，2011：1–111.

[20] 孫建. 傾斜煤層底板破壞特征及突水機(jī)理研究[D]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2011：1–169.

[21] 李峰. 深部煤層開采底板破壞特征研究[D]. 邯鄲：河北工程大學(xué)，2012：1–67.

[22] 郭敬中. 承壓巖溶水上采煤底板突水機(jī)理探討[D]. 淮南：安徽理工大學(xué)，2012：1–81.

[23] 韓猛，王連國，羅吉安，等. 底板陷落柱突水力學(xué)機(jī)理研究及應(yīng)用[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39(4)：12–13. HAN Meng，WANG Lianguo，LUO Ji’an，et al. Research on mechanism of water inrush from floor subsided column and its application[J]. Mining Safety & Environmental Protection，2012，39(4)：12–13.

[24] MENG Z P，LI G Q，XIE X T. A geological assessment method of floor water inrush risk and its application[J]. Engineering Geology，2012，143：51–60.

[25] LI C P，LI J J，LI Z X，et al. Establishment of spatiotemporal dynamic model for water inrush spreading processes in underground mining operations[J]. Safety Science，2013，55：45–52.

[26] JIA J L，CAO L W，ZHANG J C，et al. 3D comprehensive advance exploration and prevention technology of mine water-inrush[J]. Journal of Mines，Metals and Fuels，2014，62：69–77.

[27] 張風(fēng)達(dá)，孟祥瑞，高召寧. 煤層底板導(dǎo)升突水機(jī)理研究[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40(2)：1–4. ZHANG Fengda，MENG Xiangrui，GAO Zhaoning. Study on mechanism of floor water inrush induced by water rise along fractures[J]. Mining Safety and Environmental Protection，2013，40(2)：1–4.

[28] 張文忠，虎維岳. 采場底板突水機(jī)理的跨層拱結(jié)構(gòu)模型[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(1)：35–39. ZHANG Wenzhong，HU Weiyue. Structure modle of cross-layer arc of water-inrush mechanism of coal seam floor[J]. Coal Geology & Exploration，2013，41(1)：35–39.

[29] 劉德民，連會青，李飛. 封閉不良鉆孔側(cè)壁突水機(jī)理研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014，10(5)：74–77. LIU Demin，LIAN Huiqing，LI Fei. Research on mechanism of water-inrush at side face of poor sealing borehole[J]. Journal of Safety Science and Technology，2014，10(5)：74–77.

[30] 劉立平，任戰(zhàn)利，胡光，等. 薄淺層稠油冷采開采工藝技術(shù)研究[J]. 西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，38(2)：290–300. LIU Liping，REN Zhanli，HU Guang，et al. Research and application of cold heavy oil production with sand technology[J]. Journal of Northwest University(Natural Science Edition)，2008，38(2)：290–300.

[31] 何俊才，肖海東，閆玉良，等. 固井弱界面及提高界面防竄能力技術(shù)研究[C]//孫寧. 2012年固井技術(shù)研討會論文集. 北京：石油工業(yè)出版社，2012：82–88.

[32] 趙黎安，孟憲寶，黨慶功，等. 鉆屑與油井水泥的膠結(jié)特性[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，20(2)：90–93. ZHAO Li’an，MENG Xianbao，DANG Qinggong，et al. Bond properties of the interface between drilling cutting and oil well cement[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute，1996，20(2)：90–93.

[33] LYONS W C. Formulas and Calculations for Drilling，Productionand Workover[M]. USA：Gulf Publishing Company，2011：127–129.

[34] 顧軍，秦磊斌，湯乃千，等. 煤層氣井內(nèi)隔水層界面水竄通道形成演化過程[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48(1)：176–187. GU Jun，QIN Leibin，TANG Naiqian，et al. Evolution process of water channeling pathway along cement-aquifuge interface in coalbed methane well[J]. Journal of ChinaUniversity of Mining & Technology，2019，48(1)：176–187.

[35] GU J，GAN P，DONG L F，et al. Prediction of water channeling along cement-aquifuge interface in CBM well：Model development and experimental verification[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering，2019，173：536–546.

[36] 胡愛梅，陳東. 煤層氣開采基礎(chǔ)理論[M]. 北京：科學(xué)出版社，2015：110–112.

[37] 張?zhí)忑?，屈俊瀛，霍仰? 低固相聚合物鉆井液在山西煤層氣井中的應(yīng)用[J]. 西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，16(1)：33–35. ZHANG Tianlong，QU Junying，HUO Yangchun. Application of low solids polymer drilling fluids to coalbed gas well[J]. Journal of Xi’an Shiyou University(Natural Science Edition)，2001，16(1)：33–35.

[38] 秦磊斌，顧軍，郝海洋. 一種室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用泥餅厚度精細(xì)控制裝置：ZL201610396500.0[P]. 2018-09-04.

[39] GU J，ZHONG P，SHAO C，et al. Effect of interface defects on shear strength and fluid channeling at cement-interlayer interface[J]. Journal of PetroleumScience and Engineering，2012，100：117–122.

Experimental study on the influence of well inclination angle of coalbed methane well on the cementation strength of cement-formation interface

GU Jun, LI Linwei, SUN Dexing

(Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China)

In order to control the problem of water channeling in the process of coalbed methane(CBM) production, based on the self-designed test device and method, the test data of the shear strength at cement-aquiclude interface (CAI) is obtained under the conditions of well inclination of 0°, 30°, 60° and 90°. The mechanism of the influence of inclination angle on the shear strength at CAI is analyzed. The results show that the shear strength at CAI decreases with the increase of the inclination angle. The reason is that as the inclination angle increases, the upper part of the mud cake ring becomes thinner in turn, and the lower part becomes thicker in turn. When the inclination angle is 90°, the mud cake is thickest. As the mud cake thickens, the clay minerals in the mud cake is decreasing, and the content of drill cuttings and barite increase. Through the analysis it is also believed that the main factors affecting the shear strength at CAI are cohesion, moisture content, grain compaction, particle structure and mineral composition in the mud cake. Therefore, the CBM well type has a great influence on the hear strength at CAI. If the horizontal well is used to extract CBM, the problem of water channeling may be more prominent.

coalbed methane well; inclination angle; shear strength at CAI; mud cake thickness; influence law

National?Natural?Science?Foundation?of?China(41572142，51774258)；National Science and Technology Major Project of China(2017ZX05009-003)

顧軍，1966年生，男，云南大理人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣井防竄研究. E-mail：gujun2199@126.com

顧軍，李林蔚，孫德興. 煤層氣井井斜角對隔水層界面膠結(jié)強(qiáng)度影響試驗(yàn)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(3)：208–216.

GU Jun，LI Linwei，SUN Dexing. Experimental study on the influence of well inclination angle of coalbed methane well on the cementation strength of cement-formation interface[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(3)：208–216.

1001-1986(2019)03-0208-09

TE256

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.03.032

2018-09-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572142，51774258)；國家科技重大專項(xiàng)課題(2017ZX05009-003)

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)