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第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 李彦明郭小阳李称心等 煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制 煤炭科学技术 . / . . / 煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制 李彦明郭小阳李称心刘 璐 .油气藏地质及开发工程国家重点实验室西南石油大学四川 成都 .西南石油大学 石油与天然气工程学院四川 成都 .中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆 摘 要为解决在煤矿采空区施工煤层气井时出现的钻井液恶性漏失、掉块卡钻、下套管遇阻等问题 以采空区覆岩特征为研究基础通过对比激活剂、悬浮剂及降失水剂的不同添加量对堵漏液性能的影 响确定了各添加剂的最优添加量形成了一种具有固化功能的无机胶凝材料钻井堵漏液其配方为 水激活剂.悬浮剂 降失水剂矿渣 该堵漏液在 条件下流动度为 稠化时间在 以内 抗压强度大于 其性能指标满足煤矿区煤层气浅井堵漏要求 为进一步分析该堵漏液的作用机理采用扫描电镜、射线及热重分析等现代测试分析方法对形成 的固化体进行测试结果表明堵漏液中的胶凝材料与水接触后发生水化反应生成 凝胶随 着时间的增加 凝胶越来越多最终水化产物的结构越来越致密形成了较高的抗压强度 宏观表征即具有良好流动性的堵漏液通过泵送进入地层裂缝浆液填充裂缝直至裂缝被充满随着 水化反应的进行堵漏液逐步失去流动性最终原裂隙发育地层形成一个胶结具有承压能力的整体实 现了堵漏 关键词煤层气采空区堵漏矿渣固化体 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑王晓珍 基金项目国家科技重大专项资助项目 作者简介李彦明男河北保定人副研究员博士研究生 通讯简介郭小阳男北京人教授博士生导师 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李彦明等煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制 年第 期 引 言 煤炭作为我国长期以来的能源消费主体经 过几十年的不断开采形成了大量煤矿采空区 受保护煤柱、遗煤、围岩和邻近煤层的煤层气不断 向采空区解吸释放影响煤矿采空区内蕴藏了丰 富的煤层气资源 据中国工程院重点咨询项 目“我国煤炭资源高效回收及节能战略研究” 预 测预计到 年我国废弃矿井数量将达到 处 年将达到 处而废弃矿井中 赋存的非常规天然气煤层气近 亿 因 此开发煤矿采空区的煤层气资源不仅能拓展清 洁能源来源还能够降低温室效应符合我国 目前的能源政策方向 针对煤矿采空区丰富的煤层气资源近几年多 个煤炭企业开展了相关研究和现场试验从试 验结果来看由于煤矿采空区顶板上覆岩层受采动 影响产生大量裂隙当采用泥浆工艺施工时极易 发生钻井液恶性漏失和掉块卡钻等事故影响钻井 安全当采用空气钻进工艺施工时受钻头冲击碎岩 摩擦生热和空气循环影响易引起采空区煤层气发 生燃烧等事故安全风险高当采用氮气钻进工艺施 工时受制氮工艺影响需要配置大量制氮设备增 加了钻井成本 此外常规钻井工艺受采空区地 层井壁不稳影响容易出现下套管遇阻问题 因此 受采空区地层和现有钻井工艺技术特点限制目前 煤矿采空区的煤层气资源开发进度受钻井技术制约 较大 基于此笔者在立足煤矿采空区顶板覆岩特征 和安全钻井要求的基础上研究一种具有固化功能 的无机胶凝材料堵漏液以满足钻井过程的随钻堵 漏要求并最终为煤矿采空区新型泥浆钻井工艺开 发奠定试验基础 固化堵漏液 固化堵漏液是将固井与堵漏技术相结合发展起 来的一种新工艺技术工作液其作用原理是在基液 中加入满足各功能要求的外添加剂并通过调整其 加入量多少最终在目的层段实现触变形成凝胶并 填充裂隙空间达到堵漏的目的 目前对于油气 井钻进过程中的恶性漏失堵漏、固井具有明显 成效 通过调研目前固化堵漏液多用于油气井施 工孔卫开等针对恶性漏失和垮塌地层开发出 一种可固化工作液该工作液以常规钻井液为基 础不仅具有钻井液的良好性能还具有一定的堵 漏、封固能力 密度在 . . / 温度在 适用 张林海等针对恶性漏失造成 水泥浆低返问题开发出一种具有可控固化特性 的工作液密度 .. / 温度 适 用 李早元等研究出一种低密度. / 可固化防漏工作液并分析了该体系固化体的强 度及水化机理解决了低压漏失井段固井难题 赵启阳等针对川东地区钻井易漏失问题室内 研制出一种可固化堵漏工作液解决了传统桥塞 堵漏技术承压能力低的缺点弥补了水泥浆堵漏 时的化学不相容的危险密度在.. / 温 度在 时适用 通过分析可知针对原生裂隙发育地层的油气 井堵漏施工现有固化堵漏液研究成果较多但多数 情况适用于较高的井温和钻井液密度 对于煤 矿采空区这种井浅、普遍温度不高和次生裂隙极其 发育的地层情况有关固化堵漏液的开发尚未见报 道 因此笔者针对采空区地层特点通过胶凝材 料、外加剂的选择以及实验室性能测试等手段开发 一种满足煤层气浅井、低温、低密度、早强的固化堵 漏液体系 试 验 . 试验材料 基于煤层气井堵漏要求并兼顾材料成本固 化堵漏液的胶凝材料选择高炉矿渣 通过对比不同激活剂对矿渣的激活效果选 用的激活剂为碱金属氢氧化物 通过对比不同悬浮剂对矿渣的沉降性能选 用的悬浮剂为羧甲基纤维素钠 通过对比不同降失水剂对矿渣的失水性能 选用的降失水剂为多元共聚物 实验室配置基浆直接选用自来水 . 试验仪器及试验方法 为满足实验室固化堵漏液配置和性能测试 需要研究采用的试验仪器见表 试验方法 如下 配制方法 针对煤矿采空区上覆岩层存在 大量裂缝的情况从钻井堵漏角度考虑低密度堵漏 液流动性好在泵压和液柱压力双重作用下容易向 井筒外大面积扩散增大材料用量 而高密度堵漏 液流动性差不利于达到局部固化的要求 因此综 合考虑各方面影响因素按 . / 的堵漏液密度 进行试验 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 表 试验仪器 仪器型号 水泥浆恒速搅拌器 常压稠化仪 电子液压式压力实验机 密度计 恒温水浴锅 射线衍射仪 射线荧光光谱分析仪 环境扫描电子显微镜 型 傅里叶红外光谱仪 热重分析仪 型 首先根据试验设计配置基浆配方水 矿渣本文所涉及配方均是按质量配比水的 质量设为 其他添加剂以水为基准参考值 然后在此基础上通过调整激活剂、悬浮剂、降失水剂 各单剂的添加量并测试相关性能获得各单剂的最 佳加入量 最终再通过基浆与各添加剂的复配得 到满足堵漏要求的试验配方 测试方法 将按要求配制好的固化堵漏液 倒入抗压模具中进行养护 养护条件为常压下将 模具置于温度 恒温水浴锅中养护 之后参 照有关标准对养护、、 的固化体进行力学 性能测试主要包括采用压力试验机测试抗压强 度采用 射线衍射仪、 射线荧光光谱分析仪配 合环境扫描电子显微镜对固化体进行物相分析采 用热重分析仪进行热重变化分析 试验结果与分析 . 添加剂单剂性能测试与分析 .. 激活剂优选 在堵漏液基浆配方基础上进行激活剂 种不同添加量试验并测试其激活效果结果如图 所示 图 不同添加量的激活效果 . 由图 数据可知随着激活剂添加量的增加 固化体抗压强度先增大后减少当激活剂添加量 为 时其抗压强度最高 和 分别达到 . 和 . 随着养护时间增加固化体抗 压强度呈增大趋势 养护比 养护普遍高 以上 由此分析可知激活剂添加量不同其与矿渣的 化学反应效果不同在最优添加量时二者的 化学反应最充分同时激活剂与矿渣的化学反应较 为缓慢随着养护时间增加二者的化学反应效果趋 于更优 以上结果的宏观表现即固化体的抗压强度 逐步增大 .. 悬浮剂优选 在堵漏液基浆配方基础上进行悬浮稳定剂 种不同添加量试验并测试其悬浮稳定效 果结果见表 表 悬浮剂的悬浮稳定性效果 添加量/ 上层密度/ 下层密度/ 密度差/ 沉降稳定性 ....差 ....差 ....一般 ...好 由表 可知悬浮剂 添加量为 .、. 、.时在基浆静置 后上层与下层浆体均 存在密度差当添加量增至 .时基浆上下层密 度均一未出现沉降现象由此确定 的最佳添 加量为 . .. 降失水剂优选 在堵漏液基浆配方基础上 进行降失水剂 种不同添加量试验并测试其悬浮稳定效 果 降失水剂添加量分别为 、、、时失 水量分别为 、、、 随着降失水剂添加量的增大基浆的失水量逐 渐降低但综合考虑失水性能及药品成本本研究选 取添加量 的 作为降失水剂能够有效控制 失水量在 以内 .. 固化堵漏液复配测试 在进行添加剂单剂优选分析的基础上最后进 行基浆与各添加剂的复配配方为水. 悬浮剂 激活剂 降失水剂 矿渣 通过试验仪器测试其流动性、 稠化时间、抗压强度等指标结果见表 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李彦明等煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制 年第 期 表 固化堵漏液性能指标 密度/ 流动度/ 稠化时间/ 下的抗压强度/ .... 由表 可知该配方堵漏液的流动度可以达到 流动性较好可以满足泵送要求 同时稠化 时间为 可以实现堵漏液在一定时间和范围 的流动满足局部固化填充裂缝的要求 堵漏液形 成的固化体 抗压强度达到 . 极大提高 了采空区地层承压能力为后续泥浆钻进解决漏失 难题且随着时间增加固化体的抗压强度逐步增 大 可以达到 . 证明随着堵漏液不断 进入裂缝并缓慢起强度最终使一定范围内的采空 区地层形成一种固结体保障了作业安全 . 微观测试与分析 在对优化后的配方进行宏观性能参数测试的基 础上为分析其作用机理对堵漏液固化体进一步进 行微观测试 .. / 测试 以矿渣为参照对固化堵漏液在 养护 、 、 形成的固化体进行 、 测试测试结果 见表 微观图像如图 所示 表 矿渣与固化体 元素分析 类别 矿渣........... 固化体........... 固化体........... 固化体........... 图 微观组织及元素测试 . 从图 可以看出原始矿渣的 图中组织疏 松存在大量空洞且碳氧元素含量较低铝硅钙元 素含量较高 随着养护时间的增加固化体组织逐 步变得密实水化产物的数量逐渐增加结构更加致 密 碳元素氧元素含量增加铝硅钙元素含量 减少 .. 测试 为进一步揭示堵漏液固化后固化体的物相种 类将养护 和 的固化体进行 检测结果 如图 所示 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 由图 可知矿渣被激活后经过 水化形成 的固化体其产物主要为 凝胶、沸石类矿 物 而水化 后除了 凝胶和沸石类矿 物水化产物还出现了莫来石成分 图 不同养护时间固化体的成分测试 . .. 热分析 为进一步揭示固化体随时间推移水化反应时凝 胶成分的变化规律将养护 和 的固化体进行 检测结果如图 所示 图 固化体 热分析 . 如图 所示 曲线主要对应 凝胶的 脱水 对比发现矿渣水化 和 形成的固化 体其失重率分别为 .、.说明水化 形 成的固化体中 更多 同时在 区 段两曲线下降值几乎相等说明固化体中沸石类矿 物的结晶水脱水导致的质量损失相差不大可以判 断固化体水化 和 产生的沸石类矿物数量相 近 由此可见随着养护时间增加矿渣水化反应更 充分固化体中 数量增加 . 固化堵漏作用原理 碱激发矿渣胶凝材料具有水化热低、力学性能 发展快等优异性能 矿渣与水接触后其表面发生 轻微的水化反应生成 凝胶 矿渣玻璃体 表面的保护膜阻止水进入玻璃体内部而内部的离 子又不能渗出水化反应被阻止 矿渣玻璃体包括 富钙相和少量的富硅相 富钙相中 键比 键弱很多且热力学稳定性差故富钙相 的水硬活性远高于富硅相 碱的加入提供了大量的 故矿渣在水化反应初期以富钙相的迅速水化 和解体为主矿渣富钙相中的 和 与 反 应生成 和 破坏了玻璃体表面 结构促进矿渣水化反应持续进行 激活剂中的阳 离子 替换 、 连接在 键上促使 玻璃体结构的破坏、分解、溶解 部分富钙相脱离原 结构充填在水化产物的空隙中 随着富硅相的继 续水化其水化产物填充于富钙相水化产物间隙使 得水化产物结构愈来愈致密宏观表现为矿渣固化 体强度的不断增加 本文固化堵漏液采用较高的水灰比这是堵漏 液初始浆体具有高流动度的主要原因 降失水 剂具有一定的黏度但添加量较低对浆体流动度影 响不大 水化反应的进行需要一定的时间固化堵 漏液在向地层裂缝流动过程中需保持良好的流动 性流到一定距离后浆液填充裂缝直至裂缝被充 满浆体逐渐变稠直至形成固化体 随着静置时间 的增加裂缝中填充的固化体内部持续反应并不断 生产凝胶使得固化体组织越发致密固化体抗压强 度不断提高 由此可见固化堵漏液既能满足流动性又能短 时间起强度钻井过程可以阻止堵漏液进一步向采 空区地层深处流失因此对于采空区裂隙地层可以 实现钻井过程中局部区域的固化堵漏为后续的安 全钻井奠定了基础 结论与展望 通过调整激活剂、悬浮剂、降失水剂 种单剂的 不同添加量并根据性能测试结果可知各单剂的最佳 加入量分别为激活剂、.悬浮剂、 降失水剂各种性能满足堵漏要求 堵漏液实现堵漏的本质是碱性环境为具有 潜在活性的矿渣提供大量的 促使玻璃体的分 解重组从而形成具有较高强度的固化体 通过在实验室进行配方试验和性能检测可 知开发的固化堵漏液在较低温度和密度条件下能 够实现一定范围内的流动并起强度理论上满足裂 隙地层的堵漏要求 但煤矿采空区的真实地层情况 较为复杂下一步需尽快到现场进行堵漏试验以检 验实际效果 如果该堵漏液能够实现采空区地层的 堵漏则必将为煤矿采空区煤层气资源的开发开创 新的工艺途径 参考文献 尹志胜桑树勋周效志.煤炭资源枯竭矿井煤层气运移及富 集规律研究.特种油气藏 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 李彦明等煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制 年第 期 . . . 李日富.煤矿采动稳定区煤层气资源量“间接扣减”评估方法 及其应用.煤矿安全 . .“ ” . . . 袁 亮姜耀东王凯等.我国关闭/ 废弃矿井资源精准开 发利用的科学思考.煤炭学报 . . / . . 叶汝陵苏文叔. 煤矿煤层气排放对大气的污染及对策 .矿 业安全与环保. . . . 李国君刘长久.铁法矿区地面垂直采空区井技术.中国煤 层气 . . . . 李俊峰.晋城矿区过采空区钻井抽采煤层气可行性分析.能 源技术与管理. . . . 王永东徐岗宋鹏军.子长油田煤炭采空区定向井钻井技 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