含瓦斯煤巖導電特性研究綜述

湯小燕, 陳昕怡, 鄭雷清, 牛林林, 張偉杰, 齊佳新

(1.西安科技大學地質與環境學院, 西安 710054; 2.中石油吐哈油田分公司勘探開發研究院, 哈密 839009; 3.中國石油集團測井有限公司長慶分公司, 西安 710200)

國家的戰略資源是保證國民經濟快速發展的重要物質基礎。瓦斯作為21世紀最有開發前景的能源之一,受到國內外的高度重視。實現更合理的開采,達到更高的經濟效益,是中國瓦斯抽采行業發展的必然要求[1-3]。對此首先是要探索煤巖瓦斯開發的有利區,而中國的煤巖瓦斯含量地球物理測井評價技術起步較晚[4-5]。補償密度測井預測瓦斯含量是目前最行之有效的方法,但其對鉆井質量、煤巖所處地層、煤巖的孔隙結構特征等有更高要求[6]。在鉆井質量不佳,發生井眼坍塌時,擴徑等環境因素對補償密度測井結果的影響尤為突出,難以準確地預測瓦斯含量,更嚴重時,也就失去了進行測井評價的意義;相對而言電阻率測井受擴徑等環境因素的影響較小,且探測深度較深,符合中國向深層瓦斯抽采的趨勢[7-8]。因此,為優化電阻率測井在含瓦斯煤巖評價方面的準確性,加強對含瓦斯煤巖導電特性的研究意義重大[9-10]。

迄今為止國內外巖石物理學家與眾多學者都先后開展了煤巖導電特性(用煤電阻率來描述)的實驗研究[11-13]。多數研究實驗測得電阻R后通過電阻率公式進一步求出煤電阻率ρ。Li等[14]開展過受載煤巖的導電機理研究,發現煤破裂程度(煤巖結構)對煤的導電性影響較大。陳鵬等[15]以原生結構煤為研究對象,得出煤電阻率變化與應力變化有很好的對應關系。王云剛[16]采用大尺度煤樣,得出了一致的結果。

至今,研究發現影響煤電阻率的因素主要有內因和外因兩個方面:內因主要指煤巖自身性質,包括工業分析參數、變質程度、孔隙特征、煤巖組分、礦物雜質含量、含水率等;外因主要指環境因素和實驗因素,包括應力、測試頻率、溫度、瓦斯壓力等[17]。因此,現從影響煤電阻率的內外因素入手,開展大量文獻調研,系統梳理和總結現有研究成果,展望含瓦斯煤巖導電特性的研究方向,以期能從含瓦斯煤巖導電特性定性認識過渡到瓦斯含量定量預測。

1 煤導電性研究現狀

1.1 應力作用

由于現有實驗技術的局限性,對煤電阻率的研究局限于室內,而煤巖深埋于地下受地應力影響,因此煤電阻率與所受應力的關系值得探究。近年來,學者們主要從應力大小、恒定應力下作用時間以及應力作用方向對煤電阻率的影響出發,進行了大量實驗研究[18-19]。根據眾多學者的實驗,對煤巖施加應力的方法分類如下。

1.1.1 單軸壓縮

主要用于研究應力作用方向對煤電阻率的影響,即煤電阻率的各向異性特征[20-23]。學者們主要按照應力作用方向與煤巖層理的關系進行實驗研究,如圖1所示,分為平行層理、垂直層理以及相交層理。在未施加應力時,初始煤電阻率大小為:垂直>相交>平行,原因可結合物理學中電路的串并聯進行理解。

A表示電流表;V表示電壓表圖1 應力作用方向影響煤電阻率實驗模式圖Fig.1 Experimental pattern diagram of the direction of stress action affecting coal resistivity

常溫常壓下,未志杰等[24]、楊允林等[25]、畢世科等[26]采用上述模式,分別從不同方向進行單軸壓縮實驗,得到電阻率具有明顯的各向異性特征;隨著應力的增大煤電阻率先增大,后迅速降低直到趨于穩定。煤電阻率初期升高,即是由于煤巖主要為離子導電,在應力作用初期煤巖孔隙裂縫逐漸閉合,分子間躍遷的自由空間減少,這將使離子躍遷困難,離子躍遷率降低,離子導電率下降,煤電阻率上升;隨著應力繼續升高,煤巖經壓實、彈性、塑性和破裂4個階段,煤巖由離子導電模式變為離子和電子的混合導電模式,煤電阻率降低[27-28]。胡千庭等[29]建立受載煤樣電阻實時測試實驗系統,研究分層界面影響下不同結構型煤的電阻率響應特征,得出煤樣本身或分層面孔隙骨架的擠壓破碎會導致煤電阻率增加,同時與畢世科等[26]一樣,也得到了電阻率具有明顯的各向異性特征的結果。

1.1.2 環狀施壓

湯小燕等[30]、陳學鍵等[31]、李祥春等[32]開展了煤電阻率在恒定應力下的變化規律研究,所用煤樣以電子導電為主,隨應力作用時間延長,煤電阻率先快速降低,后降低速率逐漸減小。這是由于在應力作用前期,煤巖孔隙裂隙大量閉合,導致抵抗變形的能力不斷增強,后期電阻率下降速率減小。同理也驗證了在非恒定應力下,隨著應力的增大,煤電阻率呈現先快速下降,后下降速率變慢。

綜上,可以通過對煤電阻率的變化情況監測來反映煤巖的受力狀況,從而預測煤巖動力災害,保障煤礦安全生產。

1.2 煤孔隙特征

煤孔隙特征影響煤電阻率主要表現在比表面積、孔隙尺寸分布、孔隙率等方面。目前,關于孔隙結構對煤電阻率的影響,國內外學者進行的研究較少[33-36]。林峰等[35]研究了孔隙率對原煤電阻率的影響,得到最小電阻率隨著孔隙率的增大而增大以及通過電阻率來反映煤巖所受應力和滲透率的大小;李祥春等[17]研究了煤孔隙結構對電阻率的影響,結果表明,煤孔隙結構對電阻率的影響呈多元函數關系,另外微小孔對煤電阻率的影響大于中、大孔,并且微、小孔占比越高,煤電阻率越小。綜上,一方面,明確了煤孔隙結構與煤電阻率有內在聯系,可以嘗試利用煤電阻率的變化來表征煤孔隙結構;另一方面,煤巖瓦斯的吸附/解吸,主要也是孔隙內表面的表面能引起的,如今瓦斯抽采行業發展迅速,因此研究煤孔隙結構與煤電阻率的變化機理也應更進一步。

1.3 煤變質程度

煤變質程度對煤電阻率的影響,主要表現為:隨著煤變質程度的提高,煤中碳原子的數目增加、大分子排列有序性增強、芳香層排列更緊密,導致電子由束縛態變為自由態所克服的能量降低,電子流動性加強,煤導電性更好,煤電阻率降低。

學者們針對不同煤巖類型、煤巖結構的導電特性開展過相關研究,取得了煤階、煤巖結構對煤導電性影響較大這一共性認識[37-40]。這些研究共同佐證了煤導電性與煤變質程度有內在聯系,其不同變質程度所對應煤電阻率如圖2所示。整體上來看,煤變質程度越高,煤電阻率越低,一方面,研究普遍發現,隨著煤變質程度增強,導電方式從以離子導電為主轉變為以電子導電為主;另一方面,由于煤巖炭化程度的差異和自身炭的晶體結構,煤電阻率隨碳含量增加而降低,特別是當碳含量大于90%時,煤電阻率驟降。

圖2 電阻率與煤的變質程度的變化趨勢圖[7]Fig.2 Trend graph of resistivity and degree of coal deterioration[7]

1.4 煤工業分析

煤的工業分析包括水分、灰分、揮發分和固定碳,是了解煤巖性質的主要指標,也可通過分析大概得出煤中有機質的含量。Chen等[41]通過實驗研究,得到在煤含水的情況下,灰分中可溶性物質溶解在水中形成離子,使煤的導電模式從單一的電子導電模式轉變為與離子的混合導電模式。這表明水分和灰分使煤電阻率變化更加復雜。首先,水分和灰分改變了煤導電方式,大大提高了煤巖的導電性。當煤中幾乎沒有水分時,灰分對煤電阻率沒有明顯的影響;水分含量越高,煤的初始電阻率越低[42-44]。但是,由于煤中的可溶物質相對有限,所以由水分引起的煤電阻率變化是有限的。當水分增加到一定程度時,其對煤電阻率的影響將不再顯著[45-48]。李祥春等[12]進行了不同變質程度煤的工業分析,得到揮發分隨著變質程度的升高而降低,并對不同煤進行了揮發分與煤電阻率的關系研究,結果表明一定范圍內,煤電阻率隨其揮發分的提高而增大。煤巖自身性質差異是不同地區、不同煤階初始電阻率不同的根本原因。

1.5 其他

鄭學召等[49]研究認為煤巖內部的礦物元素越多,其導電性越強。因為礦物元素越多,其離子數量也就越多,從而離子導電方式更加強烈,電阻率越小。李祥春等[12]通過能譜儀(energy dispersive spectrometer,EDS)對煤樣進行元素種類和含量的統計分析,也得到同樣結論。湯小燕等[30]、陳學健等[31]經過對大佛寺低階煤電阻率的研究,得出煤含水率對煤電阻率的變化產生影響。Chen等[41]研究得出煤的內部結構和氣-水置換是導致煤電阻率變化的重要原因。綜上,可以看出影響煤電阻率的因素有很多,主要因素更是隨著不同地區、不同煤階發生變化,需要針對性的研究。

2 含瓦斯煤巖導電性的研究現狀

國內外煤田、煤巖瓦斯領域的儲層評價及巖石物理學家充分考慮到煤巖瓦斯對煤導電特性具有較大影響這一客觀科學問題,針對不同地區、不同煤巖類型的煤樣,相繼開展過含瓦斯煤巖導電特性、瓦斯突出區域的電場特征等研究。

2.1 瓦斯突出對煤電阻率的影響

針對中國含高瓦斯煤田安全開采的迫切需求,煤田領域的專家學者都十分重視含瓦斯煤巖的導電特性研究。湯友誼等[50]研究過瓦斯突出煤體的導電性質,得到煤體產生瓦斯突出與否,煤電阻率差異很大;劉保縣等[51]開展過含瓦斯無煙煤導電特性的研究,發現在交流電場中含瓦斯煤電阻率與外加電壓無關,但隨瓦斯壓力升高,煤電阻率會有所降低,并且在相同電壓和瓦斯壓力下,煤的交流電阻率小于直流電阻率。通過不同地區、不同煤階的煤巖電性參數測試,已明確煤巖電性參數與瓦斯突出危險性之間存在關系,利用這種關系進行瓦斯突出預警值得深入探究。

2.2 吸附/解吸對煤電阻率的影響

Chen等[52]研究設計了煤巖吸附/解吸瓦斯時,煤電阻率變化的實時測試系統,得到了實驗煤樣在不同氣體壓力條件下的電阻率變化規律,在吸附瓦斯過程中,煤電阻率降低,解吸過程則相反,且均為線性變化。隨后康天慧等[53]、Feng等[54]利用高精度電阻測試實驗裝置,在連續吸附/解吸與等體積吸附/解吸兩種條件下,對無煙煤的電阻率隨瓦斯含量的變化規律進行測定,結果表明,煤樣在連續吸附/解吸與等體積吸附/解吸條件下,電阻率隨著瓦斯吸附量增大先逐漸減小,后趨于平穩,并且等體積吸附時電阻率改變較連續吸附明顯,而在等體積解吸結束時,煤電阻率值距離初始值較遠。Chen等[41]以低階煤為研究對象,在吸附/解吸瓦斯過程中,分析研究了煤電阻率、瓦斯吸附量與平衡壓力之間的關系,得出在吸附瓦斯、壓力升高的過程中煤電阻率與吸附量和平衡壓力之間的關系可以用二次函數來描述;而在解吸/降壓過程中,其關系可用線性函數描述。綜上,從發現吸附/解吸瓦斯影響煤電阻率變化,到得出簡單的變化趨勢,再到可以用線性關系描述煤電阻率的變化機理,雖然此類研究有研究地區和煤階的局限性,但這種研究方法和變化規律具有普遍性。使得利用煤電阻率與瓦斯含量的關系預測礦井瓦斯含量,選取煤巖瓦斯抽采開發有利區成為可能,因此明確煤電阻率在吸附/解吸過程中的變化機理,對進一步研究煤電阻率與瓦斯含量之間的量化關系尤為重要。

目前,學者們普遍認為含瓦斯煤巖的解吸滯后特征是導致煤電阻率無法恢復到初始值的一個因素,但不是最主要的因素[55-56],其主要是由于煤基質膨脹后收縮是不可逆的變形過程[57],且吸附過程中釋放出的熱量也會導致煤基質進一步膨脹,使得煤巖孔隙率降低,煤基質顆粒間更加緊密,另外熱量釋放散布在煤巖孔隙裂隙中,導致煤巖內部溫度升高,煤巖孔隙表面的表面能降低,電子不斷被激發并轉移到導電通道,如圖3所示,從而導致煤電阻率降低[58]。因此溫度與煤的電阻率之間存在負相關關系[59-60]。到吸附后期時,吸附甲烷的空間降低,相應的基質膨脹變形減弱,煤電阻率下降速率減慢。在趨于平衡的過程中,煤巖產生新的孔隙裂隙,電阻率產生輕微反彈。

圖3 煤巖導電通道[52]Fig.3 Conductive channel of coal[52]

實驗中由于受到罐壁的限制,在吸附后期,煤巖骨架基本已不發生變形,所以煤電阻率不會隨吸附量的增加而改變。從擬合方程和曲線推測,如圖4 所示,電阻率會逐漸趨于穩定[61]。

圖4 煤巖吸附瓦斯時電阻率隨吸附量的變化曲線[7]Fig.4 Variation curve of resistivity with adsorption amount of coal rock when adsorption of gas[7]

解吸過程則與上述動態變化相反,特別是電阻率無法恢復至吸附前的狀態,即在解吸完成時電阻率變化小于吸附完成時電阻率變化幅度,如圖5所示。這是由于瓦斯在解吸時,原來借助于氣體壓力楔開的微孔隙和微裂隙在瓦斯壓力突然降低后閉合,部分氣體被禁錮于內,導致煤巖產生殘余形變,煤電阻率無法恢復原值,并會有所降低[62]。

圖5 煤巖解吸瓦斯時電阻率隨解吸量的變化曲線[7]Fig.5 Variation curve of resistivity with desorption amount of coal rock when desorption gas[7]

另外在甲烷吸附過程中,吸附在煤孔隙表面的水分子被甲烷分子取代成為游離水分子,溶解更多的礦物質形成大量離子,提高了煤電導率,煤電阻率降低;解吸過程與之相反。但是,水-氣置換只能在一定程度上改變煤的電阻率[63-65]。這是由于煤的疏水性,通常會限制吸附水分子的數量,這決定了從吸附狀態通過置換轉化的自由水分子的數量非常有限。其次,即使可以轉化大量的自由水分子,煤中可溶性礦物質的有限性也會限制離子的形成。

3 瓦斯含量對煤導電性影響的研究難點及展望

3.1 瓦斯含量對煤導電性影響的研究難點

從煤電阻率實驗研究的進展來看,一方面主要集中在小尺度煤樣(標準煤樣),很少開展過大尺度煤樣(全直徑煤樣)實驗研究;另一方面主要針對的是不同煤巖類型、原生結構煤及受載條件下的煤巖導電特性。盡管基于小尺度煤樣的電阻率實驗研究,大致能揭示不同煤巖類型、原生結構煤導電特性間的差異性,但由于煤巖割理、微孔、微裂隙非常發育,致使其非均質性比較嚴重,因此,采用小尺度煤樣進行電阻率測試難以滿足定量分析精度的要求。

縱觀現有瓦斯含量對煤導電特性影響的研究現狀及進展,一方面主要集中在電阻率是增大還是減小等定性規律的認識上;另一方面是針對煤田領域的瓦斯預測以及通過瓦斯含量增大以后,導電性的變化來預測瓦斯突出危險區域;再者,煤電阻率與瓦斯含量的關系研究還多停留在實驗現象和定性規律方面,還需深入揭示瓦斯含量對煤導電性的作用機理、作用機制以及量化規律。時至今日,尚且沒有專門針對瓦斯含量變化及引起煤導電性的量化規律研究,該規律研究必會使電阻率預測瓦斯含量這一研究有質的飛躍,為瓦斯抽采開發行業發展增磚添瓦。

3.2 瓦斯含量對煤導電性影響的研究展望

隨著中國當前瓦斯開采領域的快速發展,除解決上述的難點外,還需從以下3個方面獲得突破。

(1)由于含瓦斯煤巖導電機理的特殊性及影響因素的復雜多樣性,需從煤巖骨架、孔隙結構、孔隙吸附瓦斯及游離瓦斯等角度,借助巖石物理實驗和數值模擬等方法,明確含瓦斯煤巖的導電特性和主控因素。

(2)煤變質程度對煤巖導電性的影響較大,但沒有區分煤階、煤巖結構開展瓦斯含量與導電性間的量化關系研究。因此要針對不同地區、不同煤階以及不同煤巖結構,探明瓦斯含量對煤導電性的影響機理,還原瓦斯含量對煤電阻率變化量的真實貢獻信息,是含瓦斯煤巖導電性評價的一個重點問題。

(3)基于業界對含瓦斯煤巖導電特性的研究現狀和存在的問題,以煤礦安全開采過程中高瓦斯帶預警和瓦斯抽采過程中瓦斯含量精準預測為目標,開展煤巖骨架、瓦斯含量對煤導電性的巖石物理實驗和數值模擬研究,加強煤巖學、瓦斯地質學、電法測井學等多學科的交叉綜合,結合煤巖孔裂隙、顯微組分等特征,明確瓦斯含量與煤電阻率的量化規律。加強溫度、壓力條件下的煤巖物理基礎實驗和數值模擬研究,從含瓦斯煤巖導電特性定性認識過渡到瓦斯含量定量預測,并向瓦斯預警與瓦斯抽采方向發展將是該領域發展的趨勢。