二氧化氯对煤储层的表面改性与增透机理研究

迄今为止，煤层气开发所采取的煤储层改造措施主要是通过物理手段提高渗透率，如水力压裂和动力造穴，无法改变临储比与含气饱和度。申请者近期的实验结果表明油气田常用的解堵剂-二氧化氯可明显降低煤的亲甲烷能力，提高临储比与含气饱和度，同时还可提高储层渗透率，进而在相同的枯竭压力下提高煤层气的采收率。通过这一化学手段进行储层改造，对我国低饱和度、低临储比的煤层气开发具有重要的经济意义。.本项目拟以煤表面物理性质测试（诸如SEM、AFM、AES和XPS等）、煤表面化学结构测试（如XRD，FTIR、NMR和EPR等）和二氧化氯浸出液中的有机组分鉴定（如GC/MS）等为实验基础，综合分析二氧化氯改性前后煤表面性质的变化特征，包括比表面积、粗糙性、孔隙结构、表面自由能和微观化学结构等参数的变化，查明二氧化氯对煤的表面改性和增透机理，为改善我国煤储层低临储比与低含气饱和度的现状提供实验与理论指导。

通过等温吸附实验证实，二氧化氯改性后亲甲烷能力下降，表现在其兰氏体积VL与兰氏压力PL都发生改变并促使临界解吸压力与含气饱和度提高。通过光学显微镜、低温液氮吸附、压汞和渗透率等实验揭示了二氧化氯可以对煤进行氧化刻蚀，粗糙度和孔隙度增加，裂隙数量和宽度增加，大孔和中孔的孔容比均有增大，煤的孔裂隙得到了扩容，连通性增强，改善了储层渗透性；而小孔和微孔的比表面积比均有减小，导致煤对瓦斯的吸附容积减小。. 利用X射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振和气相/质谱联合分析测试，查明了二氧化氯表面改性和化学增透的机理在于对煤的微晶结构、官能团、芳香环和支链等大分子结构的改变。二氧化氯作用后煤的氢键力在整体趋势上表现出逐渐减弱的现象；脂肪链的支链化程度降低；部分芳香环结构被破坏，芳环的缩合程度降低，芳香环和芳碳总量相对减少；煤大分子结构中无序单元增多，结构单元缺陷明显增加。一方面，二氧化氯改性在降低煤的芳构化同时也使得部分侧链断裂和脱落，比表面积变小，降低了煤对甲烷的吸附作用；另一方面，二氧化氯对煤大分子结构的破坏，煤样发生不同程度的氧化降解，将会在煤储层产生大量的孔洞或裂隙。. 二氧化氯不但可以促使高粘压裂液低温破胶，减少储层污染，还能实现对煤储层的表面改性和增透作用。采用基于二氧化氯的高粘压裂液体系，分别在河南和山西等煤层气井进行现场试验，结果表明二氧化氯兼具低温破胶和提高临界解吸压力的效果。