粗糙套管提高煤層氣固井膠結強度實驗研究

劉俊君，卞江，馮彬，張毅

（1.中石化江漢石油工程有限公司，湖北 武漢 430100；2.中石油吉林油田公司，吉林 松原 138000；3.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100095）

煤層氣作為煤的伴生礦產資源，是一種非常規天然氣，屬于無污染的優質能源。中國煤層氣資源豐富，可采儲量達到 4.70×1014m3，具有非常大的開采潛力，是對我國能源的重要補充[1]。由于煤層通常具有低孔低滲等特性，為了提高采收率，需要通過射孔壓裂對儲層進行改造[2-3]，但是由于煤層有機質含量高、節理發育、節理面光滑，導致煤巖與固井水泥石界面膠結強度弱、煤層段固井質量差，嚴重制約了煤層氣的經濟有效開發。固井質量的優劣，受到諸多因素影響，如套管表面光滑度[4-8]，為了克服現有套管表面光滑而導致水泥與套管之間膠結差的問題，有必要研究一種新的外表面粗糙化套管。這種粗糙化套管可以有效提升套管與水泥環膠結強度，從而提高整體固井效果和質量，延長開發井開采壽命，保證煤層氣的長期開發和穩產。

1 模擬套管外表面粗糙化處理

模擬套管外表面粗糙化處理是在不影響套管本身強度的情況下，分別將套管外表面進行凹圓槽處理、網紋處理、螺紋處理，如圖1所示。

1.1 凹圓槽粗糙化處理

模擬套管凹圓槽處理過程是在套管本體外表面使用小尺寸鉆頭打孔，套管外表面會變得粗糙不平整，從而使套管外表面面積增大，模擬套管凹圓槽粗糙化處理如圖1（a）所示。

1.2 網紋狀粗糙化處理

模擬套管網紋處理一般是使用滾刀在模擬套管外表面劃出網紋狀的槽線，套管外表面因此變得粗糙，從而增大套管主體外表面面積，模擬套管網紋狀處理如圖1（b）所示。

圖1 網紋狀處理模擬套管

1.3 螺紋狀粗糙化處理方案

模擬套管螺紋處理過程是在模擬套管外表面使用車刀車出一道道螺紋，使套管外表面變得粗糙，以增大套管主體外表面面積，螺紋處理如圖1（c）所示。

此外，為了進行對比，還設計加工了一外表面光滑模擬套管，如圖1（d）所示。

2 粗糙化套管膠結強度實驗研究

2.1 實驗目的

通過分析對比外表面粗糙化處理后的套管與外表面光滑套管的固井一界面水力膠結強度、剪切膠結強度、粘結強度3 個實驗數據結果[9-10]，找出一種較優的套管外表面粗糙化處理方案。

2.2 實驗器材

2.2.1 水力膠結強度實驗器材

固井壁面封隔驗竄儀、外表光滑模擬套管（未進行粗糙化處理）、外表粗糙模擬套管（凹圓槽處理、網紋處理、螺紋處理）、外管、橡膠密封環、氮氣泵、G 級水泥、攪拌器等。

2.2.2 剪切膠結強度實驗器材

YAW-300C 型壓力實驗機、外表光滑模擬套管（未進行粗糙化處理）、外表粗糙模擬套管（凹圓槽處理、網紋處理、螺紋處理）、外管、G 級水泥、攪拌器、支撐底座等。

2.2.3 粘結強度實驗器材

壁面拉伸實驗儀、外表光滑模擬套管拉蓋（未進行粗糙化處理）、外表粗糙模擬套管拉蓋（凹圓槽處理、網紋處理、螺紋處理）、倒水泥模具、G 級水泥、攪拌器等。

2.3 實驗步驟

2.3.1 水力膠結強度實驗步驟

1）使用普通G 級水泥，通過攪拌器配置水灰比0.44 的水泥漿。

2）對外管內表面進行除銹處理，然后涂抹一層黃油，以保證水泥漿凝固后可以順利卸下外管。

3）首先將一塊紙板放置在地面上，以外管和模擬套管同等外徑在紙板上畫同心圓，然后在紙板上按照同心圓的位置放置外管與模擬套管，同時確保外管與模擬套管底部外沿與紙板上同心圓剛好重合。

4）將配置好的水泥漿倒入模擬套管和外管間的環空內。倒入過程中，適當攪動模擬套管與外管環空內的水泥漿，以使環空內水泥漿與模擬套管壁充分接觸。等待水泥漿凝固。

5）卸掉外管，在橡膠密封環內放入粘結在一起的水泥環和模擬套管，再將其整體移入固井壁面封隔驗竄儀的釜體中，然后將釜蓋蓋好、壓帽壓好，檢查密封后進行施壓操作。

6）在釜體中的橡膠密封環施加10 MPa 圍壓，以保證橡膠密封環和水泥環之間的界面沒有驗竄壓力穿過，然后開始調節氮氣泵的閥門，保持每5 min 0.2～0.5 MPa 的測試壓力增量，對模擬套管和水泥環進行驗竄測試操作，直到水泥環與模擬套管之間界面保持竄通，此時實驗儀下部傳感器壓力值急劇上升并慢慢接近于上部傳感器壓力。

7）在增大圍壓直到竄通的整個實驗過程中，要隨時觀察實驗儀顯示界面壓力變化，最終實驗儀顯示壓力與初始壓力差值即為加載壓力，記錄相關數據。

8）上述步驟完成后，釋放圍壓，將封隔驗竄儀釜蓋打開，將橡膠密封環、模擬套管與水泥環取出。

2.3.2 剪切膠結強度實驗步驟

1）重復水力膠結強度實驗步驟1～4。

2）在支撐底座放置固結在一起的外管、水泥環和模擬套管，然后將其移到壓力機底部壓盤上。

3）在YAW-300C 型壓力實驗機配套計算機軟件上，調整軟件工作模式為抗壓模式、設置試件齡期為2、設置強度等級為42.5、設置加載速度為2.4 kN·s-1、設置試件規格為默認，點擊運行，此時壓力機上部壓盤會慢慢向下移動，模擬套管受到上部壓力。觀察壓力加載變化情況，直至模擬套管產生剪切位移為止。

4）實驗完畢后，取下模擬套管、水泥環和外管。

2.3.3 粘結強度實驗步驟

1）使用普通G 級水泥，通過攪拌器配置水灰比0.44 的水泥漿。

2）對外管內表面進行除銹處理，然后涂抹一層黃油，以保證水泥漿凝固后能順利去掉外管。

3）在水泥模具中倒入配置好的水泥漿，在水泥模具中水泥漿表面壓上套管模擬拉蓋，然后轉緊拉蓋，以保證水泥漿和拉蓋間沒有間隙，同時排出水泥漿中含有的氣泡，等待水泥漿凝固。

4）將水泥模具移除，然后在壁面拉伸實驗儀上固定好水泥和拉蓋，可以使用實驗儀上、下拉桿上的螺紋進行固定。

5）通過壁面拉伸實驗儀給上、下拉桿慢慢施加拉力，直到拉蓋不與水泥接觸。隨時觀察施加拉力過程中的粘結變化，當水泥與拉蓋脫離，停止施加拉力，并記錄相關數據。

6）上述步驟完成后，將實驗模具取出放好。

3 結果分析

水力膠結強度、剪切膠結強度實驗結果、粘結強度實驗結果見表1。

表1 實驗結果對比

從表1 可以看出，螺紋處理后的模擬套管水力膠結強度、剪切膠結強度最大，凹圓槽及螺紋處理后的模擬套管具有較好的粘結強度，而光滑套管所有強度均最小。

4 結論

1）套管外表面的粗糙化處理對固井質量有影響，套管表面經過粗糙化處理，能夠提高套管與水泥之間的膠結強度。

2）螺紋處理后的套管與水泥之間的綜合強度優于凹圓槽、網紋處理套管、光滑套管。

3）泥漿對粗糙化處理后的套管膠結強度影響有待研究，套管外表面螺紋粗糙化處理具體參數有待進一步優化。