有机溶剂压裂提高煤层渗透率的方法
出处：论文网
时间：2006-09-04
2)。进一步的计算表明，经溶剂抽提后煤中的中孔尤其是过渡孔和微孔向大孔转
化，使煤的孔隙体积的增加主要由大孔增加所致。当对煤层进行有机溶剂压裂时
，溶剂的溶解抽提作用将解除粉煤对裂缝的堵塞，减少不利于煤层气运移的过渡
孔和微孔数量，并使它们转化为中孔和大孔，从而增加有利于煤层气向生产井底
流动的通道，提高煤层渗透率。
２?３ 有机溶剂对MP分子的溶解作用
煤层气以游离状态、水溶状态和吸附状态存在于煤岩中，其中70～９５％煤
层气依靠范德华力吸附在煤的微孔隙表面和煤的三维化学交联网络中。有机溶剂
与煤岩接触时，它将首先置换出与煤的孔隙表面及煤的三维化学交联网络形成弱
相互作用力(范德华力)的煤层气分子，然后溶解抽提出与煤的孔隙表面和三维化
学交联网络形成强相互作用力(氢键和EDA键)的MP分子。由此可以推知，有机溶
剂压裂煤层时，其所到之处的煤层气将全部解吸，它对MP分子的溶解抽提作用会
降低煤的比表面积，使煤丧失对煤层气分子的吸附能力。
2?4 煤中的无机矿物质
煤中的无机矿物质不溶于有机溶剂，在进行有机溶剂压裂煤层时它将逐渐从
煤中分离出来，它的非均质性又有利于其与压裂液中的支撑剂一起在煤中形成高
渗透率的裂缝。所以，煤中的无机矿物质是一种非常有用的原生支撑剂，对提高
煤层渗透率有利。
综上所述，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；煤的微孔隙结构与MMP分子的强相互作用，置换出了以吸
附状态存在于煤的孔隙表面和三维化学交联网络中的煤层气分子，其对MP分子的
溶解抽提作用极大地降低了煤的比表面积，使煤丧失了吸附煤层气分子的能力；
煤中的无机矿物质是一种非常有用的原生支撑剂。因此，有机溶剂压裂提高煤层
渗透率在理论上是可行的。
3 有机溶剂压裂煤层方法简述
煤层裂缝可分为面割理和端割理，它们是煤层气流动的主要通道。但大多数
煤层的裂缝均不能很好连通，这使得煤层渗透率极低和煤层气井不能形成工业生
产规模。有机溶剂压裂是利用地面高压泵组，以大大超过煤层吸收能力的排量将
含细砂的清水(前置液)注入煤层气井中，在井底憋压，当液压超过煤层破裂压力
时，就会在煤层中产生裂缝并沟通煤层原有裂隙，随着压裂的进行，这些裂缝将
逐渐向前延伸。继续将含有石英砂支撑剂的有机溶剂(携砂液)注入前置液压开的
裂缝和沟通的裂隙中，借助有机溶剂与MMP分子的强相互作用，一方面有机溶剂
置换出在煤孔隙中吸附储存的煤层气，溶解煤基质、微孔隙、裂隙和压裂形成的
裂缝中的MP分子，增大煤层孔隙度，降低煤的比表面积，使煤丧失吸附煤层气的
能力；另一方面，煤层中不溶于有机溶剂的非均质的无机矿物质和携砂液中的石
英砂支撑剂一起填充到压裂和溶解形成的裂缝中，在煤层中形成相互贯通并且能
使液体和气体流向井筒的通道，从而提高煤层的渗透率。最后注入清水(顶替液)
将井筒中全部携砂液替入裂缝中。
压裂结束后，注入的压裂液一部分返排出来，一部分(主要是前置液)滤失在
煤层中。由于解吸的煤层气溶解或以微小气泡存在于有机溶剂中，使有机溶剂成
为高能(压)液体，从而具有很好的返排能力。返排到地面的压裂液中的有机溶剂
应加以回收，以降低压裂作业费用。
4 有机溶剂压裂煤层和水力压裂煤层的比较
有机溶剂压裂和水力压裂提高煤层渗透率，既
表3 有机溶剂压裂煤层与水力压裂煤层的比较
对比项目 有机溶剂压裂煤层 水力压裂煤层
压裂液组成 前置液：清水＋细石英砂
携砂液：有机溶剂＋石英砂支撑剂
顶替液：清水 前置液：清水＋细石英砂
携砂液：清水＋石英砂支撑剂
顶替液：清水
压裂液性能 携砂液粘度大，携砂能力强，摩阻大，滤失小 携砂液粘度小，携砂
能力弱，摩阻小，滤失大，易发生砂堵
压裂液成本 成本高 成本低
施工方式
“水环”法注入，以降低摩阻 大排量，高注入速度，环空进液
压裂液返排能力 强
弱
是否回收压裂液 回收有机溶剂，降低压裂费用 不回收
裂缝形成机理 压裂作用和溶解作用 压裂作用
支撑剂
石英砂＋煤中的无机矿物质 石英砂
压裂后煤层性质 孔隙度显著增大，比表面积和吸附能力显著下降，渗透率显著
提高 孔隙度变化不大，比表面积和吸附能力不变，渗透率增加不明显
相互联系又互有区别，二者之间的比较见表3。
表3表明，有机溶剂压裂煤层具有携砂液粘度大，携砂能力强，滤失小，无
需采用大排量施工和高注入速度；石英砂和无机矿物质支撑的裂缝导流能力强，
渗透率高；压裂液对煤层的压裂作用和溶解作用使煤岩孔隙度显著增大，比表面
积下降和对煤层气的吸附能力丧失；解吸后的煤层气增大了压裂液的返排能力和
煤层气本身向井底流动的能力等优点。不足之处是携砂液摩阻大，需采用“水环
”法注入；压裂液成本高，应回收返排液中的有机溶剂，以降低压裂费用。
5 有机溶剂压裂煤层的影响因素探讨
5?1 有机溶剂的溶解能力
有机溶剂的溶解能力直接影响有机溶剂压裂提高煤层渗透率的效果。有机溶
剂和MMP分子的相互作用力越强，其对MP分子的溶解能力就越大，从而有利于提
高煤层孔隙度，将微孔和过渡孔转化为有利于煤层气流动的大孔和中孔，降低煤
的比表面积和使煤层气解吸。
5?2 有机溶剂的返排能力
有机溶剂压裂的施工费用远较水力压裂的高，其返排能力强、回收率高对降
低施工费用有利。一方面，有机溶剂压裂提高煤孔隙度和增加有利于煤层气和液
体运移的大孔数量，煤中的无机矿物质和石英砂支撑的高渗透率裂缝，解吸煤层
气溶解和以气泡形式存在于有机溶剂中的降粘作用以及使有机溶剂成为高能液体
，对有机溶剂的返排有利。另一方面，有机溶剂与MMP分子的强相互作用以及MP
分子的溶解增粘作用对有机溶剂返排不利。
5?3 支撑剂
支撑剂的硬度、粒径和用量也直接影响填砂裂缝的渗透率。对于高塑性的软
煤层，支撑剂太硬会嵌入煤岩中，太软会被压碎，均起不到应有的支撑作用；支
撑剂的粒径不均匀，筛析组成不集中，会降低其承压能力和渗透性；支撑剂用量
低，其在煤层裂缝中不能形成多层排列，会降低裂缝的导流能力。煤中的无机矿
物质是一种原生支撑剂，对提高煤层渗透率有利。对于浅煤层，可使用石英砂作
为支撑剂，但应在煤层条件下用实验方法确定满足压裂效果的粒径及浓度。
5?4 有机溶剂压裂的经济性
影响有机溶剂压裂经济性的因素有：有机溶剂对煤的溶解抽提能力、用量和
返排能力，返排液中有机溶剂的分离回收，有机溶剂压裂提高煤层渗透率的效果
。如果有机溶剂压裂能使煤层气井的产气能力显著提高，并能有效地生产10～２
０年，那么采用高成本的有机溶剂压裂方法提高煤层渗透率还是值得的。
6 结束语
针对中国煤层气开发的特殊性，本文提出的有机溶剂压裂提高煤层渗透率方
法，目的在于寻求一种适合中国煤层气开发特点的提高煤层渗透率方法，以满足
中国大规模开发煤层气的需要。本方法能否实施的关键在于高效的有机溶剂压裂
液的研制、压裂液的返排能力和提高渗透率的效果，其可操作性还有待于室内实
验和实践的检验。
