煤层气井是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体,是煤的伴生矿产资源,属非常规天然气。目前,中国大部分煤层气井井深大约分布在800~1500m之间。据初步预测,在尚未大规模开发的1500~2000m的深度范围内,煤层气资源量巨大。煤层气井的特点是井深浅,井温低,井底压力低,力学稳定性差,胶结程度低,易发生气蹿,极易遭受储层污染。所以传统的煤层气固井水泥浆体系及其外加剂不适合煤层气储层特点,主要表现为水泥浆密度大,浆体不稳定,形成压差较大,失水量大,早期强度和后期强度发展缓慢。为了揭示水泥浆滤液对煤储层造成伤害的原因,研究水泥浆滤液与地层水间的相互作用十分有必要和有意义。本论文研究了滤液与地层水在不同混合比例、养护温度下的化学反应。在本实验中发生一些的化学反应,并生成多种沉淀,而这些沉淀会降低储层的渗透率,造成储层伤害。本论文主要内容:1. 反应产物化学成分分析。反应产物经过X射线衍射仪检测,借助专业分析软件XRAY对得到X射线衍射图谱进行分析,综合预先对水泥浆滤液、煤层气储层水的化学组分的了解以及实际检测,得到反应产物的化学成分。经过对X射线衍射所得图谱分析后得知,化学反应产物的化学成分主要为碳酸钙(CaCO3),伴有少量镁、锰的碳酸根沉淀物。经过对水泥浆滤液以及地层水化学组分分析,初步判断,碳酸根主要来自地层水原有的碳酸根(CO32-)以及碳酸氢根(HCO32-)电离所得。水泥浆滤液PH值约为12—13,地层水PH值在7.2左右,二者混合后发生类似酸碱中和的反应,样品的PH值发生变化。水泥浆滤液中以及储层水中少量的钙离子(Ca2+),遇到碳酸根离子(CO32)产生碳酸钙(CaCO3)沉淀;储层水中的锰离子(Mn2+)、锰离子(Mn2+)当所处的环境碱性增强,与碳酸根离子(CO32)结合从而一沉淀的形式析出。2. 反应产物储层伤害分析。根据资料显示,“低孔低渗”是煤层气储层的显著特点,通过实验结果可以看出,随着反应时间的增长,反应温度的升高,固井水泥浆滤液的比例增大,这些都会使反应产物的总体体积增大,单个颗粒的粒径增大甚至出现连片的晶体。从而会对煤层气储层的渗透率造成影响。如果反应产物的颗粒规模足够大的颗粒甚至连片生长的晶体将有可能直接堵塞储层的孔喉,这种对储层造成的伤害最大;与试验中发现的试管内壁附着的沉淀薄膜类似,在实际储层中,颗粒相对较细的沉淀产物将会附着在储层孔喉内壁,从而使孔喉直径缩小,改变孔喉的润湿性,从而影响储层的渗透率,降低煤层气井的寿命和产量。3.水泥浆滤液可能对煤储层的伤害进行分析。pH值和OH-。实验测得煤层气井固井用水泥浆滤液的pH值为12,为强碱性。而煤储层的地层水成中性或酸性。当处于酸性环境中的粘土物质遇到强碱性的滤液时,OH-会增加粘土矿物的解理,释放出细小颗粒,从而引起渗流孔道堵塞。 Ca2+参与到的反应。水泥浆滤液中含有大量的Ca2+、CO32-、SO42-,因也对滤液中的离子作出检测,知道其中也含有一定量的SO42-,在资料中还得知,煤储层的地层水中还含有大量的HCO3-离子。(以沁水盆地为例,各地区HCO3-浓度为5~24mol/L)。Ca2+在强碱环境下会生成Ca(OH)2、CaCO3和CaSO4沉淀。尤其前两者更容易析出。并且Ca(OH)2的具有反常溶解性,从0℃~80℃,溶解性会降低一半。因此,在地层温度下,溶于滤液中的Ca(OH)2会因过饱和而大量析出。再说,高温高压下Ca(OH)2还会与岩石中的SiO2反应形成硅酸钙胶结物,堵塞渗流通道。其他离子可能参与到的反应。除Ca2+外,溶液中还有少量的Al3+、Ba2+、Mg2+、Fe3+在碱性条件下可能会产生沉淀。