有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的方法_地理地質(zhì)論文

1、有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的方法_地理地質(zhì)論文              【摘要】水力壓裂在美國(guó)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(guó)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(diǎn)，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 

2、60;  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(guó)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(guó)煤層氣開(kāi)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(guó)已獲得成功，將其用于中國(guó)的煤層氣開(kāi)發(fā)，效果卻不明顯。這是因?yàn)樵诿绹?guó)最適合煤層氣開(kāi)采的中變質(zhì)煙煤占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其煤層厚度適中，橫向穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)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(guó)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

3、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(duì)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(duì)中國(guó)煤層的低滲透率現(xiàn)狀，通過(guò)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(duì)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21 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(wú)機(jī)礦物質(zhì)。從煤的大分子結(jié)構(gòu)來(lái)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

4、稠環(huán)的芳香核通過(guò)次甲基鍵(H、HH、HHH等)、含氧橋鍵(O、HO等)和含硫橋鍵(S、SS、SH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(kāi)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)、長(zhǎng)鏈脂肪酸、醇和酮、長(zhǎng)鏈烯烴、萜烯類、甾醇類、松香酸、環(huán)烷烴和環(huán)的芳烴(以環(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等雜原子以及電子過(guò)剩的芳環(huán)，電子接受體性質(zhì)則源于酚類、吡咯雜原子和電子缺乏的芳烴，這兩種性質(zhì)的電子體在MMP和MP中都

5、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(wú)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(duì)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(lái)。煤的溶劑抽提實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了這種觀點(diǎn)。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，大多在；在200以

6、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(duì)煤進(jìn)行物理抽提，抽提物占煤的2080%；在室溫下采用CS混合溶劑能將棗莊煤中6585%的有機(jī)質(zhì)溶解抽提，使MP分子與MMP分子、無(wú)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)。22 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(°)、中孔(10°)、過(guò)渡孔(°)和微孔(°)，其中大孔和中孔均易于煤層氣儲(chǔ)集和運(yùn)移，過(guò)渡孔易于煤層氣儲(chǔ)集和干

7、氣()運(yùn)移，微孔能儲(chǔ)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(guò)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(lái)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倍(見(jiàn)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(chǔ)集和運(yùn)移大孔 多以管狀孔隙、板狀孔隙為主 易于煤層氣和液烴的儲(chǔ)集、運(yùn)移，排烴效果好中孔 10000 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(chǔ)集、運(yùn)移過(guò)渡孔 100

8、0100 以不平行板狀孔為主，有一部分墨水瓶孔隙 易于煤層氣儲(chǔ)集，但不利于C的運(yùn)移微孔 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(chǔ)集但不利于運(yùn)移表2 富烴煤抽提前后的孔隙特征樣號(hào) 樣品來(lái)源 樣品類型 R（） 抽提狀態(tài) 總孔容() 孔 隙 類 型 (%)大孔 中孔 過(guò)渡孔 微孔 浙江長(zhǎng)廣東風(fēng)卡C煤層 樹(shù)皮煤 071 前 00264 2098 1073 4830 2000后 01238 6890 1220 1430 460增幅 00974 4792 147 3400 1540 貴州水城大河邊409煤層 鏡亮煤 072 前 00284 1197 845 5422 2535后 00992 47

9、42 1925 2611 716增幅 00708 3545 1080 2811 1819 四川南桐二井4號(hào)煤層 鏡亮煤 120 前 00245 1878 1306 5183 1633后 00836 7021 753 1699 527增幅 00591 5143 553 3484 110611 貴州水城木沖溝11號(hào)煤層 鏡亮煤 126 前 00417 1320 1368 4989 2326后 00861 5738 1161 2311 790增幅 00444 4418 207 2678 1536 四川魚(yú)田堡4號(hào)煤層 鏡亮煤 168 前 00276 2138 1955 4637 1268后 01026

10、 6540 1472 1657 331增幅 00750 4402 483 2980 937 貴州六枝大用礦7號(hào)煤層 鏡亮煤 171 前 00483 2049 2160 3685 1905后 01055 6683 1526 1336 455增幅 00572 4634 634 2349 14502)。進(jìn)一步的計(jì)算表明，經(jīng)溶劑抽提后煤中的中孔尤其是過(guò)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(dāng)對(duì)煤層進(jìn)行有機(jī)溶劑壓裂時(shí)，溶劑的溶解抽提作用將解除粉煤對(duì)裂縫的堵塞，減少不利于煤層氣運(yùn)移的過(guò)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(dòng)的通道，提高煤層滲透率

11、。 有機(jī)溶劑對(duì)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(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中。有機(jī)溶劑與煤巖接觸時(shí)，它將首先置換出與煤的孔隙表面及煤的三維化學(xué)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(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成強(qiáng)相互作用力(氫鍵和EDA鍵)的MP分子。由此可以推知，有機(jī)溶劑壓裂煤層時(shí)，其所到之處的煤層氣將全部解吸，它對(duì)MP分子的溶解抽提作用會(huì)降低煤的比表面積，使煤?jiǎn)适?duì)煤層氣分子的吸附能力。24 煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)不溶于有機(jī)溶劑，在進(jìn)行有機(jī)溶劑壓裂煤層時(shí)它將逐漸從煤中分離出

12、來(lái)，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(wú)機(jī)礦物質(zhì)是一種非常有用的原生支撐劑，對(duì)提高煤層滲透率有利。綜上所述，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)；煤的微孔隙結(jié)構(gòu)與MMP分子的強(qiáng)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(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的煤層氣分子，其對(duì)MP分子的溶解抽提作用極大地降低了煤的比表面積，使煤?jiǎn)适Я宋矫簩託夥肿拥哪芰?；煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)是一種非常有用的原生支撐劑。因此，有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率在理論上是可行的。3 有機(jī)溶劑壓裂煤層方法簡(jiǎn)述煤層裂縫可分為面割理和端割理，它們是煤層氣流動(dòng)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(jī)溶劑壓裂是利用地面高壓泵組，以大大超過(guò)煤層吸收能力的排量將含細(xì)砂的清水(前置液)注入煤層氣井中，在井底憋壓，當(dāng)液壓超過(guò)煤層破裂壓力時(shí)，就會(huì)在煤層中產(chǎn)生裂縫并溝通煤層原有裂隙，隨著壓裂的進(jìn)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(jī)溶劑(攜砂液)注入前置液壓開(kāi)的裂縫和溝通的裂隙中，借助有機(jī)溶劑與MMP分子的強(qiáng)相互作用，一方面有機(jī)溶劑置換出在煤孔隙中吸附儲(chǔ)存的煤層氣，溶解煤基質(zhì)、微