有机溶剂压裂提高煤层渗透率的方法

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



2?1  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(－ＣH?２－、－ＣH?２－ＣH?２－、－ＣH?２－ＣH?２－Ｃ



H?２－等)、含氧桥键(－O－、－ＣH?２－O－等)和含硫桥键(－S－、－S－S



－、－S－ＣH?２－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?１～Ｃ??３０?)、长链脂肪酸、醇和酮、长链烯



烃、萜烯类、甾醇类、松香酸、环烷烃和１～６环的芳烃(以１～２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π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π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＜５％，大多在１～２％；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20～80%；在室温下采用CS?２－ＭＭＰ混合溶剂能将枣庄煤中65～8



5%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煤层，提高煤层渗透率提供了理论依据。



2?2  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(＞１０?４Ａ°)、中孔(10?４～１０?３Ａ°)、



过渡孔(１０?３～１０?２Ａ°)和微孔(＜１０?２Ａ°)，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(Ｃ?１～Ｃ?２)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２～５倍(见表







表1  煤微孔隙类型特征分类











类型 孔径分布



(A°) 孔隙结构特征 油气储集和运移



大孔







 ＞１００００







 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～



１０００



 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







 1000~



100



 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?＋



?３的运移



微孔



  



 ＜１００







 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 Rｒ



（％） 抽提状态 总孔容



(ｃｍ?３／ｇ) 



孔  隙  类  型  (%)



大孔 中孔 过渡孔 微孔



ＥＰ－３ 浙江长广东风卡C?２煤层 树皮煤 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 贵州水城大河边409煤层 镜亮煤 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号煤层 镜亮煤 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 贵州水城木冲沟11号煤层 镜亮煤 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 四川鱼田堡4号煤层 镜亮煤 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 贵州六枝大用矿7号煤层 镜亮煤 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