煤层气井内隔层界面抗剪切强度弱化效应与预测模型研究

本项目针对低渗透煤层气压裂开采面临的井内地层水沿隔层界面（即隔层岩体与水泥浆的胶结面）发生窜流而导致压裂改造失败和压后爆性水淹这一复杂性理论和技术难题，基于自主建立的隔层界面仿真实验系统，采用定量模拟实验和微观结构测试方法，着重研究隔层特性（厚度、物性）和界面性状（界面部分缺失、有无泥饼、泥饼厚度、钻井液体系）对隔层界面抗剪切强度的影响机理，获得隔层界面抗剪切强度与隔层特性和界面性状之间的关系数据，为解决低渗透煤层气压裂开采普遍存在的隔层窜流难题提供科学依据。通过本项研究，探明隔层界面抗剪切强度与隔层特性和界面性状之间的定量关系，进而揭示隔层界面抗剪切强度弱化的本质；同时，基于获得的实验数据，采用数理统计方法，建立起描述隔层界面抗剪切强度弱化效应的数学模型，形成一种预测隔层界面抗剪切强度的新方法，以提高隔层不窜流下限厚度预测精度，为低渗透煤层气压裂开采防止隔层窜流奠定理论和技术基础。

自2009年9月获批以来，通过3年多的实验与理论研究，已全面完成了项目的各项研究内容。取得了以下主要成果： ① 阐明了隔层厚度与隔层界面抗剪切强度的关系，定量验证了“当隔层厚度＜1m时，隔层界面抗剪切强度随隔层厚度减小而降低”这一数值模拟结果，即当隔层厚度＜1m时，隔层厚度对隔层界面抗剪切强度无明显影响。② 提出了隔层界面窜流系数ξ 的概念，理论推导并建立了其数学模型。隔层界面窜流系数 ξ 反映的是隔层界面的抗窜能力，它与压裂压力、泥饼厚度和井筒直径成正比，与隔层界面抗剪切应力成反比，而与隔层厚度无关。ξ 越趋近于0，隔层界面的抗窜能力越强；仅当ξ＞１时，隔层界面才会发生窜流。③ 阐明了隔层界面抗剪切强度与不同隔层物性之间的关系，获得了隔层物性对隔层界面抗剪切强度的影响规律：随着隔层渗透率的增大，隔层界面抗剪切强度趋于减小，机理是隔层渗透率越大，界面形成的泥饼越疏松，界面胶结程度越低。④ 阐明了界面缺失与隔层界面抗剪切强度的关系：当界面缺失量＜10 %时，随着界面缺失量的增大，隔层界面抗剪切强度基本不变，但此界面缺失量却足以引起隔层窜流；当界面缺失量＞10 %时，随着界面缺失量的增大，隔层界面抗剪切强度则显著减小。⑤ 理论推导并建立了界面缺失与隔层界面抗剪切强度之间关系的数学模型：实验结果表明，随着界面缺失量的增大，隔层界面抗剪切强度减小。为了揭示这一实验规律的本质，理论推导并建立了界面缺失量与隔层界面抗剪切强度之间关系的数学模型。⑥ 获得了泥饼厚度与隔层界面抗剪切强度的关系，即：对不同钻井液体系，隔层界面抗剪切强度均随泥饼厚度的增加而显著降低；对同一钻井液体系，各种养护时间条件下隔层界面抗剪切强度随泥饼厚度增加而下降的规律基本一致；当泥饼厚度达到5 mm时，隔层界面抗剪切强度已下降了83.4 %～99.9 %。通过实验数据的拟合，提出了泥饼厚度与隔层界面抗剪切强度之间的数学经验模型。⑦ 获得了钻井液体系对隔层界面抗剪切强度的影响规律，初步揭示了钻井液体系对隔层界面抗剪切强度的影响机理：3种钻井液特性的实验结果表明，随着钻井液中粘土矿物的增加，隔层界面抗剪切强度有减小的趋势，且钻屑含量的增加也不利于隔夹层界面的胶结。⑧ 构建起了隔层界面抗剪切强度预测模型，开发了相应的预测软件。验证结果表明，隔层界面窜流判别模型的预测误差不超过15.3%。