1、有机溶剂压裂提高煤层渗透率的方法【摘要】水力压裂在美国已成为提高煤层渗透率和煤层气井产能的重要手段，而中国富含煤层气的煤田大都具有构造复杂、煤体破坏严重、软煤发育、高塑性和煤层渗透率极低等特点，致使其应用效果并不理想。本文从分析煤化学组成、孔结构和煤层气贮存方式出发，提出了采用有机溶剂压裂提高煤层渗透率的技术思路，概述了有机溶剂压裂煤层的方法，比较了有机溶剂压裂和水力压裂的异同，探讨了有机溶剂压裂的影响因素。1 前言煤层的低渗透率和不能形成煤层气的工业生产规模是中国煤层气工业发展的两大技术障碍，而前者又是后者最为直接的原因。中国煤层气开发的出路在于提高煤层渗透率。目前，提高煤层渗透率技术主要有
2、洞穴法和水力压裂法两种。其中水力压裂法在美国已获得成功，将其用于中国的煤层气开发，效果却不明显。这是因为在美国最适合煤层气开采的中变质烟煤占绝对优势，其煤层厚度适中，横向稳定，构造简单，硬度大，水平应力小，大多含水，渗透率高，容易压裂；而中国最有利的煤种(中变质烟煤)不到总量的 9%，富含煤层气的煤田大多构造复杂，煤体破坏严重，软煤发育，高塑性，水平应力大，基本不含水，渗透率极低，故压裂困难。而压裂液中含的聚合物、表面活性剂、杀菌剂和减阻剂对煤层渗透率的严重伤害，又在很大程度上抵消了水力压裂的作业效果。本文针对中国煤层的低渗透率现状，通过分析煤化学组成、孔结构和煤层气贮存方式，提出采用有机溶剂
3、压裂提高煤层渗透率的设想，概述了有机溶剂压裂方法，并将其与水力压裂法进行了对比，最后就其影响因素进行了探讨。2 有机溶剂压裂煤层的可行性分析21 煤的化学组成和溶剂抽提性质煤是一种复杂的有机岩石，其中还含有多种无机矿物质。从煤的大分子结构来看，它是由周边连结有多种原子基团的缩聚芳香稠环和氢化芳香稠环的芳香核通过次甲基键(H 、H H 、H H H 等)、含氧桥键(O、H O等)和含硫桥键(S、SS、SH 等)等各种桥键连结而成的三维化学交联网络(称为大分子相MMP)。在 MMP 中的一些具有开口的空穴，包藏了许多小分子化合物(称为分子相 MP)，MP 分子包括正构烷烃(C ) 、长链脂肪酸、醇
4、和酮、长链烯烃、萜烯类、甾醇类、松香酸、环烷烃和环的芳烃(以环为主)。MP分子与 MMP 分子之间经由多重非化学键连结而成，重要的连结键有电子给予体-接受体键(EDA 键)和氢键。电子给予体性质主要源于 N、S 和 O 等杂原子以及 电子过剩的芳环，电子接受体性质则源于酚类、吡咯杂原子和 电子缺乏的芳烃，这两种性质的电子体在 MMP 和 MP 中都存在。笔者认为，正构烷烃和环烷烃类 MP 分子与 MMP 分子之间应经由范德华力连结。这三种键合的强弱顺序是：EDA键氢键范德华力。煤中的无机矿物质包括钙、镁、铁等的碳酸盐，钾、镁等的硅铝酸盐，钙、铝、镁、钠、钾等的硅酸盐，硫酸盐，硫化物，食盐及氧化
5、亚铁等，它们与煤的大分子的结合主要是机械混合。煤的大分子的非化学键合对煤的溶剂抽提和热加工非常敏感，人们可以采用ED 或更强的 EA 溶剂分子去取代 MP 分子与 MMP 分子的结合，将 MP 分子抽提出来。煤的溶剂抽提实验已经证实了这种观点。在 100以下采用苯、乙醇和氯仿等普通溶剂抽提煤，抽出物很少，烟煤，大多在；在 200以下用具有电子给予体性质的亲核溶剂(如胺类、酚类和羰基类溶剂)对煤进行物理抽提，抽提物占煤的 2080%；在室温下采用 CS 混合溶剂能将枣庄煤中 6585%的有机质溶解抽提，使 MP 分子与 MMP 分子、无机矿物质分离。显然，煤的化学组成和溶剂抽提性质为有机溶剂压裂
6、煤层，提高煤层渗透率提供了理论依据。22 煤的孔隙结构特征煤是一种孔隙高度发达的多孔固态物质。从煤微孔隙特征分类表 1 可以看出，煤孔隙按大小可分为大孔( )、中孔(10 )、过渡孔( )和微孔( )，其中大孔和中孔均易于煤层气储集和运移，过渡孔易于煤层气储集和干气( )运移，微孔能储集煤层气但不利于其运移。因此，有机溶剂能否有效地溶解抽提煤中的MP 分子，提高煤的孔隙率和大孔与中孔数量，即将煤中不利于煤层气运移的过渡孔和微孔转化为易于煤层气运移的大孔和中孔至关重要。吴俊将来源不同的富烃煤进行溶剂抽提处理，发现抽提后的总孔隙体积是抽提前的倍(见表表 1 煤微孔隙类型特征分类类型 孔径分布(A)
7、 孔隙结构特征 油气储集和运移大孔多以管状孔隙、板状孔隙为主易于煤层气和液烃的储集、运移，排烃效果好中孔10000以板状孔隙、管状孔隙为主，间有不平行板状孔隙 易于煤层气和液烃的储集、运移过渡孔1000100以不平行板状孔为主，有一部分墨水瓶孔隙 易于煤层气储集，但不利于 C 的运移微孔具有较多的墨水瓶和不平行板状毛细管孔隙 煤层气能储集但不利于运移表 2 富烃煤抽提前后的孔隙特征样号 样品来源 样品类型 R（） 抽提状态 总孔容( ) 孔 隙 类 型 (%)大孔 中孔 过渡孔 微孔 浙江长广东风卡 C 煤层 树皮煤 071 前 00264 2098 1073 4830 2000后 01238
8、 6890 1220 1430 460增幅 00974 4792 147 3400 1540 贵州水城大河边 409 煤层 镜亮煤 072 前 00284 1197 845 5422 2535后 00992 4742 1925 2611 716增幅 00708 3545 1080 2811 1819 四川南桐二井 4 号煤层 镜亮煤 120 前 00245 1878 1306 5183 1633后 00836 7021 753 1699 527增幅 00591 5143 553 3484 110611 贵州水城木冲沟 11 号煤层 镜亮煤 126 前 00417 1320 1368 4989
9、2326后 00861 5738 1161 2311 790增幅 00444 4418 207 2678 1536 四川鱼田堡 4 号煤层 镜亮煤 168 前 00276 2138 1955 4637 1268后 01026 6540 1472 1657 331增幅 00750 4402 483 2980 937 贵州六枝大用矿 7 号煤层 镜亮煤 171 前 00483 2049 2160 3685 1905后 01055 6683 1526 1336 455增幅 00572 4634 634 2349 14502)。进一步的计算表明，经溶剂抽提后煤中的中孔尤其是过渡孔和微孔向大孔转化，使煤
10、的孔隙体积的增加主要由大孔增加所致。当对煤层进行有机溶剂压裂时，溶剂的溶解抽提作用将解除粉煤对裂缝的堵塞，减少不利于煤层气运移的过渡孔和微孔数量，并使它们转化为中孔和大孔，从而增加有利于煤层气向生产井底流动的通道，提高煤层渗透率。 有机溶剂对 MP 分子的溶解作用煤层气以游离状态、水溶状态和吸附状态存在于煤岩中，其中70煤层气依靠范德华力吸附在煤的微孔隙表面和煤的三维化学交联网络中。有机溶剂与煤岩接触时，它将首先置换出与煤的孔隙表面及煤的三维化学交联网络形成弱相互作用力(范德华力)的煤层气分子，然后溶解抽提出与煤的孔隙表面和三维化学交联网络形成强相互作用力(氢键和 EDA 键)的 MP 分子。
11、由此可以推知，有机溶剂压裂煤层时，其所到之处的煤层气将全部解吸，它对 MP 分子的溶解抽提作用会降低煤的比表面积，使煤丧失对煤层气分子的吸附能力。24 煤中的无机矿物质煤中的无机矿物质不溶于有机溶剂，在进行有机溶剂压裂煤层时它将逐渐从煤中分离出来，它的非均质性又有利于其与压裂液中的支撑剂一起在煤中形成高渗透率的裂缝。所以，煤中的无机矿物质是一种非常有用的原生支撑剂，对提高煤层渗透率有利。综上所述，煤的化学组成和溶剂抽提性质为有机溶剂压裂煤层、提高煤层渗透率提供了理论依据；煤的微孔隙结构与 MMP 分子的强相互作用，置换出了以吸附状态存在于煤的孔隙表面和三维化学交联网络中的煤层气分子，其对MP
12、分子的溶解抽提作用极大地降低了煤的比表面积，使煤丧失了吸附煤层气分子的能力；煤中的无机矿物质是一种非常有用的原生支撑剂。因此，有机溶剂压裂提高煤层渗透率在理论上是可行的。3 有机溶剂压裂煤层方法简述煤层裂缝可分为面割理和端割理，它们是煤层气流动的主要通道。但大多数煤层的裂缝均不能很好连通，这使得煤层渗透率极低和煤层气井不能形成工业生产规模。有机溶剂压裂是利用地面高压泵组，以大大超过煤层吸收能力的排量将含细砂的清水(前置液)注入煤层气井中，在井底憋压，当液压超过煤层破裂压力时，就会在煤层中产生裂缝并沟通煤层原有裂隙，随着压裂的进行，这些裂缝将逐渐向前延伸。继续将含有石英砂支撑剂的有机溶剂(携砂液)注入前置液压开的裂缝和沟通的裂隙中，借助有机溶剂与 MMP 分子的强相互作用，一方面有机溶剂置换出在煤孔隙中吸附储存的煤层气，溶解煤基质、微孔隙、裂隙和压裂形成的裂缝中的 MP 分子，增大煤层孔隙度，降低煤的比表面积，使煤丧失吸附煤层气的能力；另一方面，煤层中不溶于有机溶剂的非均质的无机矿物质和携砂液中的石
