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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(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
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)的煤層氣開發(fā)，效果卻不明顯。這是因?yàn)樵?
美國(guó)最適合煤層氣開采的中變質(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
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(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)和氫化芳香稠環(huán)的芳香核
通過(guò)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(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(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(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(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＜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(duì)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65～8
5%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)。
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(guò)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(chǔ)集和運(yùn)移，過(guò)渡孔易于煤層氣儲(chǔ)集和干氣(Ｃ?１～Ｃ?２)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)集、
運(yùn)移
過(guò)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(chǔ)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(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 Rｒ
（％） 抽提狀態(tài) 總孔容
(ｃｍ?３／ｇ)
孔 隙 類 型 (%)
大孔 中孔 過(guò)渡孔 微孔
ＥＰ－３ 浙江長(zhǎng)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?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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(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。
２?３ 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70～９５％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(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。
2?4 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Γ?
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?jiǎn)适矫簩託獾?
能力；另一方面，煤層中不溶于有機(jī)溶劑的非均質(zhì)的無(wú)機(jī)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(lái)，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(jī)溶劑中，使有機(jī)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(jī)溶劑
應(yīng)加以回收，以降低壓裂作業(yè)費(fèi)用。
4 有機(jī)溶劑壓裂煤層和水力壓裂煤層的比較
有機(jī)溶劑壓裂和水力壓裂提高煤層滲透率，既
表3 有機(jī)溶劑壓裂煤層與水力壓裂煤層的比較
對(duì)比項(xiàng)目 有機(jī)溶劑壓裂煤層 水力壓裂煤層
壓裂液組成 前置液：清水＋細(xì)石英砂
攜砂液：有機(jī)溶劑＋石英砂支撐劑
頂替液：清水 前置液：清水＋細(xì)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(qiáng)，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(jìn)液
壓裂液返排能力 強(qiáng)
弱
是否回收壓裂液 回收有機(jī)溶劑，降低壓裂費(fèi)用 不回收
裂縫形成機(jī)理 壓裂作用和溶解作用 壓裂作用
支撐劑
石英砂＋煤中的無(wú)機(jī)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(jī)溶劑壓裂煤層具有攜砂液粘度大，攜砂能力強(qiáng)，濾失小，無(wú)
需采用大排量施工和高注入速度；石英砂和無(wú)機(jī)礦物質(zhì)支撐的裂縫導(dǎo)流能力強(qiáng)，
滲透率高；壓裂液對(duì)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(duì)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(dòng)的能力等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)溶劑，以降低壓裂費(fèi)用。
5 有機(jī)溶劑壓裂煤層的影響因素探討
5?1 有機(jī)溶劑的溶解能力
有機(jī)溶劑的溶解能力直接影響有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的效果。有機(jī)溶
劑和MMP分子的相互作用力越強(qiáng)，其對(duì)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(guò)渡孔轉(zhuǎn)化為有利于煤層氣流動(dòng)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(jī)溶劑的返排能力
有機(jī)溶劑壓裂的施工費(fèi)用遠(yuǎn)較水力壓裂的高，其返排能力強(qiáng)、回收率高對(duì)降
低施工費(fèi)用有利。一方面，有機(jī)溶劑壓裂提高煤孔隙度和增加有利于煤層氣和液
體運(yùn)移的大孔數(shù)量，煤中的無(wú)機(jī)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(jī)溶劑中的降粘作用以及使有機(jī)溶劑成為高能液體
，對(duì)有機(jī)溶劑的返排有利。另一方面，有機(jī)溶劑與MMP分子的強(qiáng)相互作用以及MP
分子的溶解增粘作用對(duì)有機(jī)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(duì)于高塑性的軟
煤層，支撐劑太硬會(huì)嵌入煤巖中，太軟會(huì)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(huì)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(huì)降低裂縫的導(dǎo)流能力。煤中的無(wú)機(jī)礦
物質(zhì)是一種原生支撐劑，對(duì)提高煤層滲透率有利。對(duì)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(shí)驗(yàn)方法確定滿足壓裂效果的粒徑及濃度。
5?4 有機(jī)溶劑壓裂的經(jīng)濟(jì)性
影響有機(jī)溶劑壓裂經(jīng)濟(jì)性的因素有：有機(jī)溶劑對(duì)煤的溶解抽提能力、用量和
返排能力，返排液中有機(jī)溶劑的分離回收，有機(jī)溶劑壓裂提高煤層滲透率的效果
。如果有機(jī)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(jī)溶劑壓裂方法提高煤層滲透率還是值得的。
6 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)中國(guó)煤層氣開發(fā)的特殊性，本文提出的有機(jī)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(guó)煤層氣開發(fā)特點(diǎn)的提高煤層滲透率方法，以滿足
中國(guó)大規(guī)模開發(fā)煤層氣的需要。本方法能否實(shí)施的關(guān)鍵在于高效的有機(jī)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(shí)
驗(yàn)和實(shí)踐的檢驗(yàn)。
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