壓痕法評(píng)價(jià)煤層氣井固井水泥石斷裂力學(xué)性質(zhì)

張典坤 陳立超 王生維

1.煤與煤層氣共采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?晉煤集團(tuán) 2.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)煤層氣開(kāi)發(fā)深度較淺、儲(chǔ)層壓力不高，因井筒環(huán)空封隔失效造成的層間流體互竄、井涌等問(wèn)題尚未突顯。然而，隨著開(kāi)發(fā)向深部進(jìn)軍，儲(chǔ)層壓力升高、流體互竄更活躍，尤其是深部煤層氣井高壓注入壓裂、水平井分段壓裂、CO2地質(zhì)封存等復(fù)雜工況對(duì)井筒環(huán)空封隔能力提出了更高的要求。

通常井筒環(huán)空封隔失效風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（第二界面＞第一界面＞水泥石本體）逐漸減小[1-2]，目前針對(duì)油氣井井筒固井水泥石與套管、與井壁的第一和第二界面的破壞機(jī)制[3-4]、封隔能力的評(píng)價(jià)[5-6]、水泥石腐蝕失效[7]、水泥石力學(xué)性質(zhì)[8-12]、水泥漿材料改進(jìn)[13-18]等方面的研究成果較為豐富，而對(duì)于煤層氣井固井水泥石本體破壞原貌特征、水泥石斷裂力學(xué)性質(zhì)對(duì)環(huán)空封隔失效影響方面的研究則甚少。為此，筆者利用取自沁水盆地南部寺河礦區(qū)煤礦井下煤層氣固井水泥石原樣，結(jié)合壓痕法獲取目前國(guó)內(nèi)典型的煤層氣固井水泥石的斷裂力學(xué)性能參數(shù)（維氏硬度、斷裂韌度）值，分析了固井水泥石斷裂力學(xué)性質(zhì)對(duì)煤層氣井射孔壓裂中井筒破壞的影響機(jī)理，以期為深部煤層氣井固井材料改性及工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 氣井水泥石破壞形貌

對(duì)沁水盆地南部某煤層氣井筒進(jìn)行礦井解剖，該井產(chǎn)層為3號(hào)煤層，深度在497.28～504.68 m，厚度7 m，其中含煤矸石厚度0.37 m，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)育類型屬于碎裂煤。該井壓裂液類型活性水，總計(jì)注入量為650 m3，石英砂支撐，光套管注入，最大泵壓14.8 MPa，施工油壓穩(wěn)定。

基于煤層氣井筒環(huán)空封隔失效礦井解剖資料（圖1），查明煤層氣井筒環(huán)空封隔失效主要包括3種形式：①水泥石與套管第一界面開(kāi)裂形成流體竄槽，圖1-a～c中水泥石內(nèi)壁可見(jiàn)大量的煤粉顆粒，但少見(jiàn)支撐劑顆粒，說(shuō)明該流動(dòng)通道間隙較小，主要為煤層氣多相流經(jīng)射孔孔眼進(jìn)入井筒的通道；②水泥石與井壁煤巖第二界面開(kāi)裂形成竄槽，水泥外壁較為粗糙呈參差狀，壁上可見(jiàn)大量的支撐劑顆粒和煤粉顆粒（圖1-d），界面裂隙寬度較大，說(shuō)明壓裂期間第二界面優(yōu)先開(kāi)裂并成為填砂縫隙；③水泥石本體脆斷形成高角度裂縫竄槽（圖1-e、f），裂縫壁面平整，但裂縫走向曲折，且在水泥石全厚上徹底斷開(kāi)，形成斷塊體（圖1-g、h）。

圖1 煤層氣井筒環(huán)空封隔失效形式特征礦井解剖圖

2 水泥石成分、結(jié)構(gòu)及彈性力學(xué)性質(zhì)

2.1 水泥石成分、礦物形貌

利用XRD衍射分析和掃描電鏡對(duì)采自沁水盆地南部寺河礦區(qū)煤層氣井固井水泥石原樣進(jìn)行研究，分析結(jié)果顯示研究區(qū)煤層氣井固井水泥石的主要水化產(chǎn)物包括大量的氫氧化鈣（CH）、水化硅酸鈣凝膠成分（C-S-H），具有典型的硅酸鹽系列水泥熟化特征（圖2）。在礦物形貌特征方面：固井水泥石中的C-S-H微觀形貌特征呈氣泡狀，多為集合體形式存在，形態(tài)為膠體和隱晶質(zhì)、微晶等，結(jié)晶度比較差，整體微觀上呈泡沫狀、云朵狀（圖3-a）；CH晶型發(fā)育通常較良好，形貌上多為較為規(guī)則的六方板狀、六角片狀（圖3-b），多個(gè)CH晶體往往搭砌形成網(wǎng)絡(luò)狀，后期形成多個(gè)空洞、孔隙型缺陷。從研究區(qū)固井水泥石成分特征、組成礦物發(fā)育晶型完整性、程度判斷本區(qū)煤層氣井固井水泥漿水化反應(yīng)徹底，水泥各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)完善[9-12]。

圖2 煤層氣井固井水泥石XRD衍射分析結(jié)果圖

2.2 水泥石微觀結(jié)構(gòu)

從基質(zhì)和裂縫兩部分研究了本區(qū)煤層氣井固井水泥石的微觀結(jié)構(gòu)：水泥石基質(zhì)部分由于CH晶體顆粒粒徑較?。▎尉Ф嘈∮?00 nm），晶面結(jié)構(gòu)干凈，顆粒堆積相對(duì)緊密，盡管顆粒間發(fā)育粒間空隙但整體而言屬于連續(xù)致密型介質(zhì)，具有很好的夯實(shí)度和致密性，因而封隔抗竄效果較好；水泥石裂縫部分主要為脆斷形成的張性裂縫，裂縫開(kāi)度較大（大于1 μm），裂縫長(zhǎng)度多大于20 μm，裂縫延展無(wú)明確的定向性，屬于典型的脆性裂縫延展特征，且裂縫基本為晶間裂縫，裂縫延展多繞開(kāi)CH晶體（圖3-c），推測(cè)水泥石中的該類小型脆性裂縫發(fā)育主要與水泥水化反應(yīng)期間的熱應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力等內(nèi)力有關(guān)[13]。

圖3-d所示為煤層氣固井水泥石和鉆井液濾餅間界面區(qū)的微觀形貌特征，可以發(fā)現(xiàn)在膠結(jié)界面區(qū)附近形成多組脆性裂縫，裂縫走向與界面法向一致，推測(cè)鉆井液濾餅中離子滲透進(jìn)水泥石內(nèi)部形成化學(xué)應(yīng)力從而導(dǎo)致界面區(qū)水泥脆性裂縫的發(fā)育。結(jié)合水泥石成分、微觀結(jié)構(gòu)致密特征、組成礦物形貌、微小裂隙發(fā)育的穿晶斷裂等材料斷裂的基本特征，認(rèn)為研究區(qū)煤層氣井固井水泥石具有高度脆性、易破碎、高彈性模量的力學(xué)屬性，材料韌性弱、抗裂能力較差；值得指出的是，第一、二界面位置固井水泥石主要水化產(chǎn)物為片狀的CH晶體，該礦物晶體的大量出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響水泥石和煤巖及套管界面區(qū)的膠結(jié)強(qiáng)度，為加強(qiáng)井筒的環(huán)封能力，后期需對(duì)煤層氣井固井水泥漿體系進(jìn)行改性。

2.3 彈性力學(xué)性質(zhì)

研究區(qū)煤層氣井固井所用水泥漿為常規(guī)的G級(jí)油井水泥漿體系，體系中未添加任何減輕劑和彈性材料，后期水化凝結(jié)反應(yīng)徹底，形成水泥石屬于單一的純水泥石。根據(jù)復(fù)合材料等效彈性模量混合定律理論和計(jì)算方法[19]，預(yù)測(cè)本區(qū)煤層氣井固井水泥石的彈性模量（E）為13 GPa。

3 水泥石斷裂韌性壓痕試驗(yàn)

由于研究區(qū)煤層氣井固井水泥石的彈性模量大、脆性顯著，可借鑒陶瓷等脆性材料斷裂韌性試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)本區(qū)固井水泥石斷裂韌度特征進(jìn)行研究。

3.1 壓痕法測(cè)試原理及維氏硬度計(jì)算

利用維氏硬度計(jì)（型號(hào)：HXO-1000TM）對(duì)沁水盆地南部典型煤層氣井固井水泥石試樣進(jìn)行壓痕法（IM）測(cè)試，如圖4所示，機(jī)械壓頭與水泥樣品接觸作用時(shí)間為15 s，壓頭載荷分別設(shè)定為100 g、200 g、300 g、500 g、1 000 g五檔，鏡下獲取了不同壓頭載荷在水泥石試樣表面作用的壓痕面積（F）、裂紋尺寸（c）。

首先利用式（1）計(jì)算5種不同載荷作用條件下的煤層氣井固井水泥石原樣的維氏硬度（Hv）值。

維氏硬度的計(jì)算方法：

圖4 固井水泥石壓痕法測(cè)試原理圖

式中Hv表示維氏硬度，GPa；P表示壓頭載荷，N；F表示壓痕面積，mm2；d表示壓痕半徑，mm。

從硬度計(jì)算結(jié)果（表1）看出，本區(qū)煤層氣井固井水泥石的維氏硬度平均為108.72 kgf/mm2，水泥石維氏硬度與其材料微觀結(jié)構(gòu)和成分具有密切的關(guān)聯(lián)。

3.2 水泥石斷裂韌度計(jì)算方法

本研究采用式（2）計(jì)算了研究區(qū)煤層氣井固井水泥石的斷裂韌度值，即

式中KIC表示斷裂韌性，MPa·m1/2；E表示彈性模量，GPa；c表示裂紋長(zhǎng)度，mm。

表1 煤層氣固井水泥石試樣在不同載荷下硬度及斷裂韌度計(jì)算結(jié)果表

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，沁水盆地南部典型煤層氣井固井水泥石的斷裂韌度值介于0.46～0.71 MPa·m1/2，平均為0.57 MPa·m1/2，一個(gè)不利的現(xiàn)實(shí)是目前國(guó)內(nèi)煤層氣井固井水泥石在斷裂韌度上與高強(qiáng)高韌性建筑水泥材料（UHTCC）相比，其材料阻裂效果非常有限[20]，固井水泥石材料的低韌性使其不具備分散載荷的能力，尤其是在外擠力、剪切應(yīng)力作用下固井水泥石破裂形式多以大型裂縫為主而非彌散性小裂紋，由于主干裂縫易充當(dāng)層間流體互竄的通道，因而會(huì)造成煤層氣井層間流體互竄、井涌、井淹等狀況，導(dǎo)致煤層氣井筒環(huán)空封隔能力失效，因而對(duì)于深部煤層氣開(kāi)發(fā)非常不利。

3.3 水泥石斷裂韌度與壓頭載荷的關(guān)系

如圖5-a所示，研究區(qū)煤層氣井固井水泥石壓痕法測(cè)試中裂紋尺寸（c）、壓痕半徑（d）與機(jī)械壓頭載荷間數(shù)學(xué)關(guān)系可用：y=－6×10－5x2+0.132 9x+6.752 8（R2=0.998 3）、y=－7×10－5x2+0.128 4x+5.495 6 （R2=0.997 8）描述且相關(guān)性良好，總體趨勢(shì)是隨機(jī)械壓頭載荷升高，裂紋尺寸、壓痕尺寸增大。值得指出的是，隨著機(jī)械壓頭載荷增大，裂紋尺寸和壓痕半徑的比（c/d）逐漸提升，合理的解釋是當(dāng)機(jī)械壓頭載荷增大到足以抵抗水泥石起裂斷裂韌度后，水泥石受壓其輻射裂紋延展效應(yīng)增強(qiáng)，而低載荷施壓過(guò)程中外力尚不足以在水泥石表面形成壓裂效應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也說(shuō)明研究區(qū)煤層氣井固井水泥石具有顯著的脆性特征。

如圖5-b所示，水泥石的維氏硬度與壓頭載荷間的關(guān)系呈現(xiàn)有趣的規(guī)律：隨著機(jī)械壓頭載荷的增大，固井水泥石維氏硬度值初期降低后期隨機(jī)械壓頭載荷的增大略有回升，由于在壓痕測(cè)試初期使用的低載荷施加時(shí)外力不足以抵抗水泥石的起裂斷裂韌度，因此機(jī)械壓頭在水泥石表面形成的壓痕面積較小，裂紋尺寸也較短，結(jié)果導(dǎo)致機(jī)械壓頭作用于水泥石表面的壓強(qiáng)很高，則最終計(jì)算得維氏硬度值偏大。本研究分析了五級(jí)機(jī)械壓頭載荷作用下的水泥石維氏硬度值之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)械壓頭載荷增大，水泥石維氏硬度的測(cè)試數(shù)據(jù)愈發(fā)收斂，反映水泥石自身的脆性使得在低載荷施壓下壓頭侵入水泥石時(shí)發(fā)生脆性破裂導(dǎo)致壓痕面積的不可控性，因此建議在硬度較大的固井水泥石硬度測(cè)試中使用相對(duì)大的載荷施壓。

如圖5-c所示，水泥石斷裂韌度與機(jī)械壓頭載荷間滿足y=－2×10－7x2+0.000 4x+0.422 5（R2=0.907 3）的數(shù)學(xué)關(guān)系，隨著壓頭載荷的提升，水泥石的斷裂韌度值逐步增大。由于沁水盆地南部典型煤層氣井固井水泥石的硬度和強(qiáng)度很高，低載荷作用下機(jī)械壓頭不足以壓入水泥石內(nèi)部，僅在表面形成壓痕和輻射裂紋（且由于水泥石的脆性c/d較大），計(jì)算得到的斷裂韌度較?。欢?dāng)高載荷施壓時(shí)壓頭侵入水泥石內(nèi)，由于壓頭與水泥石接觸面積達(dá)到極大值，壓頭在水泥石造成壓強(qiáng)減小，因此水泥石較易抵御壓頭載荷并呈現(xiàn)韌性的力學(xué)性能，計(jì)算得到的材料斷裂韌度就相應(yīng)增大。此值代表著煤層氣井固井水泥石的某一個(gè)安全閾值，即當(dāng)外部井筒外擠力、剪切載荷達(dá)到某一限值后煤層氣井固井水泥石本體即處于危險(xiǎn)狀態(tài)，會(huì)因擠壓、剪切載荷作用發(fā)生脆性斷裂破壞形成垂向竄槽。

4 固井水泥石射孔壓裂中破裂機(jī)理

4.1 水泥石破裂過(guò)程及破裂形式

1）如圖6-a所示，射孔期間，固井水泥石在聚能射孔彈沖擊作用下沿射孔孔眼周緣發(fā)育多組輻射裂紋（圖1-g、h），導(dǎo)致固井水泥石在水力壓裂前期已經(jīng)發(fā)生了沖擊型破壞，而且由于目前煤層氣井固井水泥石的顯著脆性，該階段的沖擊破壞程度較為嚴(yán)重，礦井實(shí)地解剖發(fā)現(xiàn)在固井水泥環(huán)射孔炮眼周緣的輻射裂紋長(zhǎng)度一般幾微米至數(shù)毫米，而且輻射裂紋發(fā)育的密度較高，整體呈放射狀分布。

圖5 水泥石斷裂力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果圖

圖6 煤層氣井水力壓裂期間固井水泥石斷裂過(guò)程及模式圖

2）如圖6-b～d所示，壓裂液大規(guī)模注入階段，壓裂液沿固井水泥環(huán)射孔孔眼高壓注入，并在水泥環(huán)射孔孔眼周緣的輻射裂紋內(nèi)形成較高的裂縫凈壓力，因而射孔孔眼周緣輻射裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子較高，當(dāng)該應(yīng)力強(qiáng)度因子大于固井水泥石的斷裂韌度值時(shí)，即KI＞KIC，固井水泥石即開(kāi)始沿著射孔孔眼周緣的誘導(dǎo)輻射裂紋方向開(kāi)始啟裂，后期隨壓裂液注入時(shí)間的持續(xù)固井水泥石發(fā)生整體破壞。從礦井解剖現(xiàn)象看，煤層氣井固井水泥環(huán)上的壓裂裂縫初期延展方向主要受控于射孔孔眼周緣輻射裂紋的方向，后期則主要與水泥石材料本身（如氫氧化鈣晶體的解理面、晶間缺陷方位以及水泥石內(nèi)部發(fā)育的水化反應(yīng)時(shí)期形成的微裂紋方位等）等因素有關(guān)，而與應(yīng)力方位等關(guān)系不大。

3）通過(guò)煤層氣井礦井解剖，總結(jié)了煤層氣井固井水泥石壓裂破裂形式主要包括3種：①固井水泥環(huán)沿著螺旋形射孔連線方向進(jìn)行開(kāi)裂，后期形成菱形的水泥石斷塊（圖6-b），水泥石斷塊尺寸為15 cm×40 cm×2.5 cm，菱形體形似瓦片狀，斷塊體的斷面較為平整，斷裂方向略顯曲折，表現(xiàn)出水泥石材料脆斷的顯著特征，形成的力學(xué)機(jī)制主要是相鄰的射孔炮眼輻射裂紋的初始方位基本一致，后期在水壓力楔入劈拉作用下裂縫擴(kuò)展連通導(dǎo)致完全斷裂；②相鄰的3個(gè)射孔炮眼間輻射裂紋受水壓作用裂縫延展溝通形成三角狀斷塊，斷塊尺寸10 cm×5 cm×2.5 cm，斷口參差，斷面粗糙，射孔炮眼往往被切割僅剩半圓，如圖6-c所示，這是沁水盆地南部寺河礦區(qū)煤層氣井固井水泥石主要的破裂形式；③水泥石受壓致裂發(fā)育多組垂向裂縫，裂縫方位比較雜亂，如圖6-d所示，但總體上沿平行井筒長(zhǎng)軸方向擴(kuò)展，裂縫發(fā)育呈簇狀、樹枝狀，分叉明顯，相互間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，此現(xiàn)象亦說(shuō)明煤層氣固井水泥石上裂縫延展方位主要受水泥石材料自身缺陷控制，而與應(yīng)力方位關(guān)系不顯著。水泥石垂向裂縫長(zhǎng)度在10 cm以上，主要為顯著大裂縫，裂縫條數(shù)有限，也反映當(dāng)前煤層氣井固井水泥漿體系存在控裂能力差的弊端，垂向裂縫的過(guò)度發(fā)育可能會(huì)聯(lián)通上覆的含水層，即圖6-d中Hf＞Ha，對(duì)后期煤層氣藏排水降壓造成嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層壓力受到上部含水層流體的壓持，制約煤層氣井產(chǎn)能。

煤層氣井固井水泥石斷裂會(huì)嚴(yán)重影響井筒的完整性和環(huán)空封隔能力。主要包括：

1）固井水泥石①、②類斷裂形式形成的網(wǎng)格化裂縫將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)射孔層段上的水泥環(huán)封隔能力失效，尤其對(duì)于單一巨厚、多層煤儲(chǔ)層很難實(shí)現(xiàn)有效地分層開(kāi)發(fā)；同時(shí)從煤層氣井礦井解剖現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，排采期間煤層水?dāng)y帶的煤粉顆粒會(huì)經(jīng)水泥石斷裂裂縫形成繞流經(jīng)壓開(kāi)的第一界面進(jìn)入井筒，使煤層氣排采初期井筒內(nèi)煤粉顆粒濃度瞬時(shí)升高，給排采中的氣井煤粉顆粒防治帶來(lái)嚴(yán)重的干擾，更為嚴(yán)重的是固井水泥環(huán)斷裂對(duì)分段射孔、規(guī)避煤粉源等會(huì)造成很大干擾。

2）③類斷裂形式形成的垂向裂縫會(huì)溝通上覆含水層，對(duì)煤儲(chǔ)層解吸壓力形成嚴(yán)重的壓持，給煤層氣井排采帶來(lái)干擾。綜上，為保持煤層氣井井筒完整性和環(huán)空封隔能力，有必要提出煤層氣井固井水泥石斷裂力學(xué)判據(jù)，并以此為據(jù)進(jìn)行煤層氣井固井水泥漿材料的改性、材料力學(xué)性能優(yōu)化以及相關(guān)完井工藝的改進(jìn)。

4.2 射孔輻射裂紋長(zhǎng)度對(duì)水泥石致裂的影響

由上述分析得知，射孔作業(yè)環(huán)節(jié)聚能射孔彈對(duì)水泥石的高速、高壓沖擊作用會(huì)在射孔孔眼周緣形成放射狀的輻射裂紋，輻射裂紋充當(dāng)了后期大規(guī)模壓裂液注入階段撐開(kāi)水泥環(huán)的誘導(dǎo)裂縫（作用類似于預(yù)制裂縫）。依據(jù)斷裂力學(xué)判據(jù)可知，當(dāng)作用于固井水泥石射孔輻射裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于水泥石斷裂韌度時(shí)，則水泥石開(kāi)裂。因此，如已知煤層氣井水力壓裂注入的壓力，從抗沖擊、阻裂角度確定固井水泥石在射孔環(huán)節(jié)可容許的最大輻射裂紋長(zhǎng)度成為優(yōu)化水泥漿材料的關(guān)鍵問(wèn)題。依據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂縫端部應(yīng)力強(qiáng)度因子（KI）主要與作用于裂縫內(nèi)壁的流體凈壓力（σ）和輻射裂紋初始尺寸（a）的有關(guān)，如圖7所示。

圖7 壓裂期間水泥石射孔炮眼附近輻射裂紋起裂模式圖

其中應(yīng)力強(qiáng)度因子可由式（3）計(jì)算：

式中σ表示作用于裂縫內(nèi)的流體凈壓力，MPa；a表示射孔炮眼輻射裂紋長(zhǎng)度，m。

本研究中已通過(guò)壓痕法測(cè)試獲得沁水盆地南部典型煤層氣井固井水泥石的斷裂韌度的值，同時(shí)筆者前期對(duì)煤層氣井水力壓裂作用于固井水泥石的有效致裂能量——破裂壓裂當(dāng)量（Pt）進(jìn)行過(guò)研究[21]，即可用式（3）對(duì)射孔階段容許的固井水泥石射孔炮眼周緣輻射裂紋的最大長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，實(shí)例計(jì)算：已知沁水盆地南部典型煤層氣井固井水泥石的斷裂韌度為0.71 MPa·m1/2，而壓裂期間實(shí)際作用于水泥石的有效致裂壓力為20 MPa。因此計(jì)算得出射孔階段容許的固井水泥石射孔炮眼周緣輻射裂紋的最大長(zhǎng)度為400 μm。為了實(shí)現(xiàn)控制射孔炮眼附近輻射裂紋長(zhǎng)度、阻止水泥石大規(guī)模破裂的目的，有必要對(duì)研究區(qū)煤層氣井固井水泥漿體系進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)選擇具備抗沖擊、分散外部載荷性能的高韌性復(fù)合水泥漿材料體系[20,22]。

同時(shí)，壓裂注入期間應(yīng)注意控制壓裂液注入壓力，防止固井水泥石沿炮眼輻射裂紋部位進(jìn)行開(kāi)裂，維持氣井井筒的完整性，保障水泥環(huán)的環(huán)空封隔能力。

5 結(jié)論

1）基于壓痕法對(duì)采取自沁水盆地南部煤層氣井固井水泥石原樣進(jìn)行維氏硬度、斷裂韌度測(cè)試，結(jié)果顯示，煤層氣固井水泥石維氏硬度平均為108.72 kgf/mm2，材質(zhì)較為堅(jiān)硬，模量高；水泥石斷裂韌度值介于 0.46 ～ 0.71 MPa?m1/2，平均為 0.57 MPa?m1/2。與高韌性水泥復(fù)合材料相比，目前煤層氣井固井水泥石在抗沖擊、裂縫控制方面明顯不足，是導(dǎo)致壓裂期間井筒環(huán)空封隔失效的重要內(nèi)在因素。

2）固井水泥石破壞的形式主要包括：①沿著螺旋形射孔連線方向進(jìn)行開(kāi)裂，形成菱形水泥石斷塊；②相鄰的三個(gè)射孔炮眼間水壓裂縫相互溝通而切割形成三角狀斷塊，水泥石破裂對(duì)分段射孔、規(guī)避煤粉源、分段開(kāi)發(fā)等造成很大干擾；③固井水泥石上垂向裂縫溝通上覆含水層，形成流體互竄對(duì)煤儲(chǔ)層壓力降形成嚴(yán)重的壓持，制約了煤層氣井的產(chǎn)能。

3）當(dāng)壓裂液在射孔炮眼輻射裂紋端部產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于水泥石的斷裂韌度值時(shí)，水泥石沿著輻射裂紋開(kāi)裂，固井水泥環(huán)發(fā)生整體破壞。從抗沖擊、阻裂角度計(jì)算得知研究區(qū)煤層氣井固井水泥石可容許的最大輻射裂紋長(zhǎng)度為400 μm，選用抗沖擊、高韌性復(fù)合水泥材料是本區(qū)煤層氣井固井的關(guān)鍵。