有機(jī)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(xué)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(yán)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(xué)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(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的技術(shù)思路，概述了有機(jī)溶劑壓裂煤層的方法，比較了有機(jī)溶劑壓裂和水力壓裂的異同，探討了有機(jī)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(yán)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(yán)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(xué)組成、孔結(jié)構(gòu)和煤層氣貯存方式，提出采用有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的設(shè)想，概述了有機(jī)溶劑壓裂方法，并將其與水力壓裂法進(jìn)行了對比，最后就其影響因素進(jìn)行了探討。2  有機(jī)溶劑壓裂煤層的可行性分析2?1  煤的化學(xué)組成和溶劑抽提性質(zhì)    煤是一種復(fù)雜的有機(jī)巖石，其中還含有多種無機(jī)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(tuán)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－ＣH?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(xué)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(xué)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(rèn)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(qiáng)弱順序是：EDA鍵＞氫鍵＞范德華力。煤中的無機(jī)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(jī)械混合。    煤的大分子的非化學(xué)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(qiáng)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(jìn)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65～85%的有機(jī)質(zhì)溶解抽提，使MP分子與MMP分子、無機(jī)礦物質(zhì)分離。顯然，煤的化學(xué)組成和溶劑抽提性質(zhì)為有機(jī)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(dá)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(yùn)移，過渡孔易于煤層氣儲集和干氣(Ｃ?１～Ｃ?２)運(yùn)移，微孔能儲集煤層氣但不利于其運(yùn)移。因此，有機(jī)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(yùn)移的過渡孔和微孔轉(zhuǎn)化為易于煤層氣運(yùn)移的大孔和中孔至關(guān)重要。    吳俊將來源不同的富烴煤進(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)移微孔   ＜１００ 具有較多的墨水瓶和不平行板狀毛細(xì)管孔隙 煤層氣能儲集但不利于運(yùn)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(fēng)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?40ＥＰ－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?19ＥＰ－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 －3
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