【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能的重要手段，而中國富含煤層氣的煤田大都具有構造複雜、煤體破壞嚴重、軟煤發育、高塑性和煤層滲透率極低等特點，致使其應用效果並不理想。本文從分析煤化學組成、孔結構和煤層氣貯存方式出發，提出了採用有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的技術思路，概述了有機溶劑壓裂煤層的方法，比較了有機溶劑壓裂和水力壓裂的異同，探討了有機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生產規模是中國煤層氣工業發展的兩大技術障礙，而前者又是後者最為直接的原因。中國煤層氣開發的出路在於提高煤層滲透率。 目前，提高煤層滲透率技術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，將其用於中國的煤層氣開發，效果卻不明顯。這是因為在美國最適合煤層氣開採的中變質煙煤佔絕對優勢，其煤層厚度適中，橫向穩定，構造簡單，硬度大，水平應力小，大多含水，滲透率高，容易壓裂；而中國最有利的煤種(中變質煙煤)不到總量的9%，富含煤層氣的煤田大多構造複雜，煤體破壞嚴重，軟煤發育，高塑性，水平應力大，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重傷害，又在很大程度上抵消了水力壓裂的作業效果。本文針對中國煤層的低滲透率現狀，通過分析煤化學組成、孔結構和煤層氣貯存方式，提出採用有機溶劑壓裂提高煤層滲透率的設想，概述了有機溶劑壓裂方法，並將其與水力壓裂法進行了對比，最後就其影響因素進行了探討。2 有機溶劑壓裂煤層的可行性分析2?1 煤的化學組成和溶劑抽提性質 煤是一種複雜的有機岩石，其中還含有多種無機礦物質。從煤的大分子結構來看，它是由周邊連結有多種原子基團的縮聚芳香稠環和氫化芳香稠環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)等各種橋鍵連結而成的三維化學交聯網路(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、環烷烴和１～６環的芳烴(以１～２環為主)。MP分子與MMP分子之間經由多重非化學鍵連結而成，重要的連結鍵有電子給予體--接受體鍵(EDA鍵)和氫鍵。電子給予體性質主要源於N、S和O等雜原子以及π電子過剩的芳環，電子接受體性質則源於酚類、吡咯雜原子和π電子缺乏的芳烴，這兩種性質的電子體在MMP和MP中都存在。筆者認為，正構烷烴和環烷烴類MP分子與MMP分子之間應經由範德華力連結。這三種鍵合的強弱順序是：EDA鍵＞氫鍵＞範德華力。煤中的無機礦物質包括鈣、鎂、鐵等的'碳酸鹽，鉀、鎂等的矽鋁酸鹽，鈣、鋁、鎂、鈉、鉀等的矽酸鹽，硫酸鹽，硫化物，食鹽及氧化亞鐵等，它們與煤的大分子的結合主要是機械混合。 煤的大分子的非化學鍵合對煤的溶劑抽提和熱加工非常敏感，人們可以採用ED或更強的EA溶劑分子去取代MP分子與MMP分子的結合，將MP分子抽提出來。煤的溶劑抽提實驗已經證實了這種觀點。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的親核溶劑(如胺類、酚類和羰基類溶劑)對煤進行物理抽提，抽提物佔煤的20～80%；在室溫下采用CS?２－ＭＭＰ混合溶劑能將棗莊煤中65～85%的有機質溶解抽提，使MP分子與MMP分子、無機礦物質分離。顯然，煤的化學組成和溶劑抽提性質為有機溶劑壓裂煤層，提高煤層滲透率提供了理論依據。2?2 煤的孔隙結構特徵 煤是一種孔隙高度發達的多孔固態物質。從煤微孔隙特徵分類表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於煤層氣儲集和運移，過渡孔易於煤層氣儲集和幹氣(Ｃ?１～Ｃ?２)運移，微孔能儲集煤層氣但不利於其運移。因此，有機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量，即將煤中不利於煤層氣運移的過渡孔和微孔轉化為易於煤層氣運移的大孔和中孔至關重要。 吳俊將來源不同的富烴煤進行溶劑抽提處理，發現抽提後的總孔隙體積是抽提前的２～５倍(見表表1 煤微孔隙型別特徵分類型別 孔徑分佈(A°) 孔隙結構特徵 油氣儲集和運移大孔 ＞１００００ 多以管狀孔隙、板狀孔隙為主 易於煤層氣和液烴的儲集、運移，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 易於煤層氣和液烴的儲集、運移過渡孔 1000~100 以不平行板狀孔為主，有一部分墨水瓶孔隙 易於煤層氣儲集，但不利於C?＋?３的運移微孔 ＜１００ 具有較多的墨水瓶和不平行板狀毛細管孔隙 煤層氣能儲集但不利於運移表2 富烴煤抽提前後的孔隙特徵樣號 樣品來源 樣品型別 Rｒ（％） 抽提狀態 總孔容(ｃｍ?３／ｇ) 孔 隙 類 型 (%)大孔 中孔 過渡孔 微孔ＥＰ－３ 浙江長廣東風卡C?２煤層 樹皮煤 0?71 前 0?0264 20?98 10?73 48?30 20?00後 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後 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後 0?0836 70?21 7?53 16?99 5?27增幅 0?0591 51?43 －5?53 －3