有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的方法

作者: 唐曉東 孟英峰 羅平亞 朱興珊(西南石油學院化工系，講師，637001 四川省南充市)
【摘要】水力壓裂在美國已成為提高煤層滲透率和煤層氣井產(chǎn)能的重要手段，而中國富含煤層氣的煤田大都具有構(gòu)造復(fù)雜、煤體破壞嚴重、軟煤發(fā)育、高塑性和煤層滲透率極低等特點，致使其應(yīng)用效果并不理想。本文從分析煤化學組成、孔結(jié)構(gòu)和煤層氣貯存方式出發(fā)，提出了采用有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的技術(shù)思路，概述了有機溶劑壓裂煤層的方法，比較了有機溶劑壓裂和水力壓裂的異同，探討了有機溶劑壓裂的影響因素。

1  前言



    煤層的低滲透率和不能形成煤層氣的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模是中國煤層氣工業(yè)發(fā)展的



兩大技術(shù)障礙，而前者又是后者最為直接的原因。中國煤層氣開發(fā)的出路在于提



高煤層滲透率。



    目前，提高煤層滲透率技術(shù)主要有洞穴法和水力壓裂法兩種。其中水力壓裂



法在美國已獲得成功，將其用于中國的煤層氣開發(fā)，效果卻不明顯。這是因為在



美國最適合煤層氣開采的中變質(zhì)煙煤占絕對優(yōu)勢，其煤層厚度適中，橫向穩(wěn)定，



構(gòu)造簡單，硬度大，水平應(yīng)力小，大多含水，滲透率高，容易壓裂；而中國最有



利的煤種(中變質(zhì)煙煤)不到總量的9%，富含煤層氣的煤田大多構(gòu)造復(fù)雜，煤體破



壞嚴重，軟煤發(fā)育，高塑性，水平應(yīng)力大，基本不含水，滲透率極低，故壓裂困



難。而壓裂液中含的聚合物、表面活性劑、殺菌劑和減阻劑對煤層滲透率的嚴重



傷害，又在很大程度上抵消了水力壓裂的作業(yè)效果。本文針對中國煤層的低滲透



率現(xiàn)狀，通過分析煤化學組成、孔結(jié)構(gòu)和煤層氣貯存方式，提出采用有機溶劑壓



裂提高煤層滲透率的設(shè)想，概述了有機溶劑壓裂方法，并將其與水力壓裂法進行



了對比，最后就其影響因素進行了探討。



2  有機溶劑壓裂煤層的可行性分析



2?1  煤的化學組成和溶劑抽提性質(zhì)



    煤是一種復(fù)雜的有機巖石，其中還含有多種無機礦物質(zhì)。從煤的大分子結(jié)構(gòu)



來看，它是由周邊連結(jié)有多種原子基團的縮聚芳香稠環(huán)和氫化芳香稠環(huán)的芳香核



通過次甲基鍵(－ＣH?２－、－ＣH?２－ＣH?２－、－ＣH?２－ＣH?２－Ｃ



H?２－等)、含氧橋鍵(－O－、－ＣH?２－O－等)和含硫橋鍵(－S－、－S－S



－、－S－ＣH?２－等)等各種橋鍵連結(jié)而成的三維化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(稱為大分子相



MMP)。在MMP中的一些具有開口的空穴，包藏了許多小分子化合物(稱為分子相MP



)，MP分子包括正構(gòu)烷烴(C?１～Ｃ??３０?)、長鏈脂肪酸、醇和酮、長鏈烯



烴、萜烯類、甾醇類、松香酸、環(huán)烷烴和１～６環(huán)的芳烴(以１～２環(huán)為主)。MP



分子與MMP分子之間經(jīng)由多重非化學鍵連結(jié)而成，重要的連結(jié)鍵有電子給予體-



-接受體鍵(EDA鍵)和氫鍵。電子給予體性質(zhì)主要源于N、S和O等雜原子以及π電



子過剩的芳環(huán)，電子接受體性質(zhì)則源于酚類、吡咯雜原子和π電子缺乏的芳烴，



這兩種性質(zhì)的電子體在MMP和MP中都存在。筆者認為，正構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴類MP分



子與MMP分子之間應(yīng)經(jīng)由范德華力連結(jié)。這三種鍵合的強弱順序是：EDA鍵＞氫鍵



＞范德華力。煤中的無機礦物質(zhì)包括鈣、鎂、鐵等的碳酸鹽，鉀、鎂等的硅鋁酸



鹽，鈣、鋁、鎂、鈉、鉀等的硅酸鹽，硫酸鹽，硫化物，食鹽及氧化亞鐵等，它



們與煤的大分子的結(jié)合主要是機械混合。



    煤的大分子的非化學鍵合對煤的溶劑抽提和熱加工非常敏感，人們可以采用



ED或更強的EA溶劑分子去取代MP分子與MMP分子的結(jié)合，將MP分子抽提出來。煤



的溶劑抽提實驗已經(jīng)證實了這種觀點。在100℃以下采用苯、乙醇和氯仿等普通



溶劑抽提煤，抽出物很少，煙煤＜５％，大多在１～２％；在200℃以下用具有



電子給予體性質(zhì)的親核溶劑(如胺類、酚類和羰基類溶劑)對煤進行物理抽提，抽



提物占煤的20～80%；在室溫下采用CS?２－ＭＭＰ混合溶劑能將棗莊煤中65～8



5%的有機質(zhì)溶解抽提，使MP分子與MMP分子、無機礦物質(zhì)分離。顯然，煤的化學



組成和溶劑抽提性質(zhì)為有機溶劑壓裂煤層，提高煤層滲透率提供了理論依據(jù)。



2?2  煤的孔隙結(jié)構(gòu)特征



    煤是一種孔隙高度發(fā)達的多孔固態(tài)物質(zhì)。從煤微孔隙特征分類表1可以看出



，煤孔隙按大小可分為大孔(＞１０?４Ａ°)、中孔(10?４～１０?３Ａ°)、



過渡孔(１０?３～１０?２Ａ°)和微孔(＜１０?２Ａ°)，其中大孔和中孔均



易于煤層氣儲集和運移，過渡孔易于煤層氣儲集和干氣(Ｃ?１～Ｃ?２)運移，



微孔能儲集煤層氣但不利于其運移。因此，有機溶劑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與中孔數(shù)量，即將煤中不利于煤層氣運移的過渡



孔和微孔轉(zhuǎn)化為易于煤層氣運移的大孔和中孔至關(guān)重要。



    吳俊將來源不同的富烴煤進行溶劑抽提處理，發(fā)現(xiàn)抽提后的總孔隙體積是抽



提前的２～５倍(見表







表1  煤微孔隙類型特征分類











類型 孔徑分布



(A°) 孔隙結(jié)構(gòu)特征 油氣儲集和運移



大孔







 ＞１００００







 多以管狀孔隙、板狀孔隙為主



 易于煤層氣和液烴的儲集、運移，排烴效果好



中孔







 10000～



１０００



 以板狀孔隙、管狀孔隙為主，間有不平行板狀孔隙 易于煤層氣和液烴的儲集、



運移







過渡孔







 1000~



100



 以不平行板狀孔為主，有一部分墨水瓶孔隙 易于煤層氣儲集，但不利于C?＋



?３的運移



微孔



  



 ＜１００







 具有較多的墨水瓶和不平行板狀毛細管孔隙 煤層氣能儲集但不利于運移











表2  富烴煤抽提前后的孔隙特征











樣號 樣品來源 樣品類型 Rｒ



（％） 抽提狀態(tài) 總孔容



(ｃｍ?３／ｇ) 



孔  隙  類  型  (%)



大孔 中孔 過渡孔 微孔



ＥＰ－３ 浙江長廣東風卡C?２煤層 樹皮煤 0?71 



前 0?0264 20?98 10?73 48?30 20?00



后 0?1238 68?90 12?20 14?30 4?60



增幅 0?0974 47?92 1?47 －34?00 －15?40



ＥＰ－９ 貴州水城大河邊409煤層 鏡亮煤 0?72 



前 0?0284 11?97 8?45 54?22 25?35



后 0?0992 47?42 19?25 26?11 7?16



增幅 0?0708 35?45 10?80 －28?11 －18?19



ＥＰ－５ 四川南桐二井4號煤層 鏡亮煤 1?20 



前 0?0245 18?78 13?06 51?83 16?33



后 0?0836 70?21 7?53 16?99 5?27



增幅 0?0591 51?43 －5?53 －34?84


 
        －11?06



ＥＰ－11 貴州水城木沖溝11號煤層 鏡亮煤 1?26 



前 0?0417 13?20 13?68 49?89 23?26



后 0?0861 57?38 11?61 23?11 7?90



增幅 0?0444 44?18 －2?07 －26?78 －15?36



ＥＰ－８ 四川魚田堡4號煤層 鏡亮煤 1?68 



前 0?0276 21?38 19?55 46?37 12?68



后 0?1026 65?40 14?72 16?57 3?31



增幅 0?0750 44?02 －4?83 －29?80 －9?37



ＥＰ－１０ 貴州六枝大用礦7號煤層 鏡亮煤 1?71 



前 0?0483 20?49 21?60 36?85 19?05



后 0?1055 66?83 15?26 13?36 4?55



增幅 0?0572 46?34 －6?34 －23?49 －14?50







2)。進一步的計算表明，經(jīng)溶劑抽提后煤中的中孔尤其是過渡孔和微孔向大孔轉(zhuǎn)



化，使煤的孔隙體積的增加主要由大孔增加所致。當對煤層進行有機溶劑壓裂時



，溶劑的溶解抽提作用將解除粉煤對裂縫的堵塞，減少不利于煤層氣運移的過渡



孔和微孔數(shù)量，并使它們轉(zhuǎn)化為中孔和大孔，從而增加有利于煤層氣向生產(chǎn)井底



流動的通道，提高煤層滲透率。



２?３  有機溶劑對MP分子的溶解作用



    煤層氣以游離狀態(tài)、水溶狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在于煤巖中，其中70～９５％煤



層氣依靠范德華力吸附在煤的微孔隙表面和煤的三維化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中。有機溶劑



與煤巖接觸時，它將首先置換出與煤的孔隙表面及煤的三維化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成弱



相互作用力(范德華力)的煤層氣分子，然后溶解抽提出與煤的孔隙表面和三維化



學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成強相互作用力(氫鍵和EDA鍵)的MP分子。由此可以推知，有機溶



劑壓裂煤層時，其所到之處的煤層氣將全部解吸，它對MP分子的溶解抽提作用會



降低煤的比表面積，使煤喪失對煤層氣分子的吸附能力。



2?4  煤中的無機礦物質(zhì)



    煤中的無機礦物質(zhì)不溶于有機溶劑，在進行有機溶劑壓裂煤層時它將逐漸從



煤中分離出來，它的非均質(zhì)性又有利于其與壓裂液中的支撐劑一起在煤中形成高



滲透率的裂縫。所以，煤中的無機礦物質(zhì)是一種非常有用的原生支撐劑，對提高



煤層滲透率有利。



    綜上所述，煤的化學組成和溶劑抽提性質(zhì)為有機溶劑壓裂煤層、提高煤層滲



透率提供了理論依據(jù)；煤的微孔隙結(jié)構(gòu)與MMP分子的強相互作用，置換出了以吸



附狀態(tài)存在于煤的孔隙表面和三維化學交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的煤層氣分子，其對MP分子的



溶解抽提作用極大地降低了煤的比表面積，使煤喪失了吸附煤層氣分子的能力；



煤中的無機礦物質(zhì)是一種非常有用的原生支撐劑。因此，有機溶劑壓裂提高煤層



滲透率在理論上是可行的。



3  有機溶劑壓裂煤層方法簡述



    煤層裂縫可分為面割理和端割理，它們是煤層氣流動的主要通道。但大多數(shù)



煤層的裂縫均不能很好連通，這使得煤層滲透率極低和煤層氣井不能形成工業(yè)生



產(chǎn)規(guī)模。有機溶劑壓裂是利用地面高壓泵組，以大大超過煤層吸收能力的排量將



含細砂的清水(前置液)注入煤層氣井中，在井底憋壓，當液壓超過煤層破裂壓力



時，就會在煤層中產(chǎn)生裂縫并溝通煤層原有裂隙，隨著壓裂的進行，這些裂縫將



逐漸向前延伸。繼續(xù)將含有石英砂支撐劑的有機溶劑(攜砂液)注入前置液壓開的



裂縫和溝通的裂隙中，借助有機溶劑與MMP分子的強相互作用，一方面有機溶劑



置換出在煤孔隙中吸附儲存的煤層氣，溶解煤基質(zhì)、微孔隙、裂隙和壓裂形成的



裂縫中的MP分子，增大煤層孔隙度，降低煤的比表面積，使煤喪失吸附煤層氣的



能力；另一方面，煤層中不溶于有機溶劑的非均質(zhì)的無機礦物質(zhì)和攜砂液中的石



英砂支撐劑一起填充到壓裂和溶解形成的裂縫中，在煤層中形成相互貫通并且能



使液體和氣體流向井筒的通道，從而提高煤層的滲透率。最后注入清水(頂替液)



將井筒中全部攜砂液替入裂縫中。



    壓裂結(jié)束后，注入的壓裂液一部分返排出來，一部分(主要是前置液)濾失在



煤層中。由于解吸的煤層氣溶解或以微小氣泡存在于有機溶劑中，使有機溶劑成



為高能(壓)液體，從而具有很好的返排能力。返排到地面的壓裂液中的有機溶劑



應(yīng)加以回收，以降低壓裂作業(yè)費用。



4  有機溶劑壓裂煤層和水力壓裂煤層的比較



    有機溶劑壓裂和水力壓裂提高煤層滲透率，既







表3  有機溶劑壓裂煤層與水力壓裂煤層的比較











對比項目 有機溶劑壓裂煤層 水力壓裂煤層



壓裂液組成 前置液：清水＋細石英砂



攜砂液：有機溶劑＋石英砂支撐劑



頂替液：清水 前置液：清水＋細石英砂



攜砂液：清水＋石英砂支撐劑



頂替液：清水



壓裂液性能 攜砂液粘度大，攜砂能力強，摩阻大，濾失小 攜砂液粘度小，攜砂



能力弱，摩阻小，濾失大，易發(fā)生砂堵



壓裂液成本 成本高 成本低



施工方式



   “水環(huán)”法注入，以降低摩阻 大排量，高注入速度，環(huán)空進液



壓裂液返排能力 強



   弱



  



是否回收壓裂液 回收有機溶劑，降低壓裂費用 不回收



  



裂縫形成機理 壓裂作用和溶解作用 壓裂作用



支撐劑



   石英砂＋煤中的無機礦物質(zhì) 石英砂



  



壓裂后煤層性質(zhì) 孔隙度顯著增大，比表面積和吸附能力顯著下降，滲透率顯著



提高 孔隙度變化不大，比表面積和吸附能力不變，滲透率增加不明顯







相互聯(lián)系又互有區(qū)別，二者之間的比較見表3。



    表3表明，有機溶劑壓裂煤層具有攜砂液粘度大，攜砂能力強，濾失小，無



需采用大排量施工和高注入速度；石英砂和無機礦物質(zhì)支撐的裂縫導(dǎo)流能力強，



滲透率高；壓裂液對煤層的壓裂作用和溶解作用使煤巖孔隙度顯著增大，比表面



積下降和對煤層氣的吸附能力喪失；解吸后的煤層氣增大了壓裂液的返排能力和



煤層氣本身向井底流動的能力等優(yōu)點。不足之處是攜砂液摩阻大，需采用“水環(huán)



”法注入；壓裂液成本高，應(yīng)回收返排液中的有機溶劑，以降低壓裂費用。



5  有機溶劑壓裂煤層的影響因素探討



5?1  有機溶劑的溶解能力



    有機溶劑的溶解能力直接影響有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的效果。有機溶



劑和MMP分子的相互作用力越強，其對MP分子的溶解能力就越大，從而有利于提



高煤層孔隙度，將微孔和過渡孔轉(zhuǎn)化為有利于煤層氣流動的大孔和中孔，降低煤



的比表面積和使煤層氣解吸。



5?2  有機溶劑的返排能力



    有機溶劑壓裂的施工費用遠較水力壓裂的高，其返排能力強、回收率高對降



低施工費用有利。一方面，有機溶劑壓裂提高煤孔隙度和增加有利于煤層氣和液



體運移的大孔數(shù)量，煤中的無機礦物質(zhì)和


 
       石英砂支撐的高滲透率裂縫，解吸煤層



氣溶解和以氣泡形式存在于有機溶劑中的降粘作用以及使有機溶劑成為高能液體



，對有機溶劑的返排有利。另一方面，有機溶劑與MMP分子的強相互作用以及MP



分子的溶解增粘作用對有機溶劑返排不利。



5?3  支撐劑



    支撐劑的硬度、粒徑和用量也直接影響填砂裂縫的滲透率。對于高塑性的軟



煤層，支撐劑太硬會嵌入煤巖中，太軟會被壓碎，均起不到應(yīng)有的支撐作用；支



撐劑的粒徑不均勻，篩析組成不集中，會降低其承壓能力和滲透性；支撐劑用量



低，其在煤層裂縫中不能形成多層排列，會降低裂縫的導(dǎo)流能力。煤中的無機礦



物質(zhì)是一種原生支撐劑，對提高煤層滲透率有利。對于淺煤層，可使用石英砂作



為支撐劑，但應(yīng)在煤層條件下用實驗方法確定滿足壓裂效果的粒徑及濃度。



5?4  有機溶劑壓裂的經(jīng)濟性



    影響有機溶劑壓裂經(jīng)濟性的因素有：有機溶劑對煤的溶解抽提能力、用量和



返排能力，返排液中有機溶劑的分離回收，有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的效果



。如果有機溶劑壓裂能使煤層氣井的產(chǎn)氣能力顯著提高，并能有效地生產(chǎn)10～２



０年，那么采用高成本的有機溶劑壓裂方法提高煤層滲透率還是值得的。



6  結(jié)束語



    針對中國煤層氣開發(fā)的特殊性，本文提出的有機溶劑壓裂提高煤層滲透率方



法，目的在于尋求一種適合中國煤層氣開發(fā)特點的提高煤層滲透率方法，以滿足



中國大規(guī)模開發(fā)煤層氣的需要。本方法能否實施的關(guān)鍵在于高效的有機溶劑壓裂



液的研制、壓裂液的返排能力和提高滲透率的效果，其可操作性還有待于室內(nèi)實



驗和實踐的檢驗。

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