含瓦斯煤岩导电特性研究综述

汤小燕, 陈昕怡, 郑雷清, 牛林林, 张伟杰, 齐佳新

(1.西安科技大学地质与环境学院, 西安 710054; 2.中石油吐哈油田分公司勘探开发研究院, 哈密 839009; 3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司, 西安 710200)

国家的战略资源是保证国民经济快速发展的重要物质基础。瓦斯作为21世纪最有开发前景的能源之一,受到国内外的高度重视。实现更合理的开采,达到更高的经济效益,是中国瓦斯抽采行业发展的必然要求[1-3]。对此首先是要探索煤岩瓦斯开发的有利区,而中国的煤岩瓦斯含量地球物理测井评价技术起步较晚[4-5]。补偿密度测井预测瓦斯含量是目前最行之有效的方法,但其对钻井质量、煤岩所处地层、煤岩的孔隙结构特征等有更高要求[6]。在钻井质量不佳,发生井眼坍塌时,扩径等环境因素对补偿密度测井结果的影响尤为突出,难以准确地预测瓦斯含量,更严重时,也就失去了进行测井评价的意义;相对而言电阻率测井受扩径等环境因素的影响较小,且探测深度较深,符合中国向深层瓦斯抽采的趋势[7-8]。因此,为优化电阻率测井在含瓦斯煤岩评价方面的准确性,加强对含瓦斯煤岩导电特性的研究意义重大[9-10]。

迄今为止国内外岩石物理学家与众多学者都先后开展了煤岩导电特性(用煤电阻率来描述)的实验研究[11-13]。多数研究实验测得电阻R后通过电阻率公式进一步求出煤电阻率ρ。Li等[14]开展过受载煤岩的导电机理研究,发现煤破裂程度(煤岩结构)对煤的导电性影响较大。陈鹏等[15]以原生结构煤为研究对象,得出煤电阻率变化与应力变化有很好的对应关系。王云刚[16]采用大尺度煤样,得出了一致的结果。

至今,研究发现影响煤电阻率的因素主要有内因和外因两个方面:内因主要指煤岩自身性质,包括工业分析参数、变质程度、孔隙特征、煤岩组分、矿物杂质含量、含水率等;外因主要指环境因素和实验因素,包括应力、测试频率、温度、瓦斯压力等[17]。因此,现从影响煤电阻率的内外因素入手,开展大量文献调研,系统梳理和总结现有研究成果,展望含瓦斯煤岩导电特性的研究方向,以期能从含瓦斯煤岩导电特性定性认识过渡到瓦斯含量定量预测。

1 煤导电性研究现状

1.1 应力作用

由于现有实验技术的局限性,对煤电阻率的研究局限于室内,而煤岩深埋于地下受地应力影响,因此煤电阻率与所受应力的关系值得探究。近年来,学者们主要从应力大小、恒定应力下作用时间以及应力作用方向对煤电阻率的影响出发,进行了大量实验研究[18-19]。根据众多学者的实验,对煤岩施加应力的方法分类如下。

1.1.1 单轴压缩

主要用于研究应力作用方向对煤电阻率的影响,即煤电阻率的各向异性特征[20-23]。学者们主要按照应力作用方向与煤岩层理的关系进行实验研究,如图1所示,分为平行层理、垂直层理以及相交层理。在未施加应力时,初始煤电阻率大小为:垂直>相交>平行,原因可结合物理学中电路的串并联进行理解。

A表示电流表;V表示电压表图1 应力作用方向影响煤电阻率实验模式图Fig.1 Experimental pattern diagram of the direction of stress action affecting coal resistivity

常温常压下,未志杰等[24]、杨允林等[25]、毕世科等[26]采用上述模式,分别从不同方向进行单轴压缩实验,得到电阻率具有明显的各向异性特征;随着应力的增大煤电阻率先增大,后迅速降低直到趋于稳定。煤电阻率初期升高,即是由于煤岩主要为离子导电,在应力作用初期煤岩孔隙裂缝逐渐闭合,分子间跃迁的自由空间减少,这将使离子跃迁困难,离子跃迁率降低,离子导电率下降,煤电阻率上升;随着应力继续升高,煤岩经压实、弹性、塑性和破裂4个阶段,煤岩由离子导电模式变为离子和电子的混合导电模式,煤电阻率降低[27-28]。胡千庭等[29]建立受载煤样电阻实时测试实验系统,研究分层界面影响下不同结构型煤的电阻率响应特征,得出煤样本身或分层面孔隙骨架的挤压破碎会导致煤电阻率增加,同时与毕世科等[26]一样,也得到了电阻率具有明显的各向异性特征的结果。

1.1.2 环状施压

汤小燕等[30]、陈学键等[31]、李祥春等[32]开展了煤电阻率在恒定应力下的变化规律研究,所用煤样以电子导电为主,随应力作用时间延长,煤电阻率先快速降低,后降低速率逐渐减小。这是由于在应力作用前期,煤岩孔隙裂隙大量闭合,导致抵抗变形的能力不断增强,后期电阻率下降速率减小。同理也验证了在非恒定应力下,随着应力的增大,煤电阻率呈现先快速下降,后下降速率变慢。

综上,可以通过对煤电阻率的变化情况监测来反映煤岩的受力状况,从而预测煤岩动力灾害,保障煤矿安全生产。

1.2 煤孔隙特征

煤孔隙特征影响煤电阻率主要表现在比表面积、孔隙尺寸分布、孔隙率等方面。目前,关于孔隙结构对煤电阻率的影响,国内外学者进行的研究较少[33-36]。林峰等[35]研究了孔隙率对原煤电阻率的影响,得到最小电阻率随着孔隙率的增大而增大以及通过电阻率来反映煤岩所受应力和渗透率的大小;李祥春等[17]研究了煤孔隙结构对电阻率的影响,结果表明,煤孔隙结构对电阻率的影响呈多元函数关系,另外微小孔对煤电阻率的影响大于中、大孔,并且微、小孔占比越高,煤电阻率越小。综上,一方面,明确了煤孔隙结构与煤电阻率有内在联系,可以尝试利用煤电阻率的变化来表征煤孔隙结构;另一方面,煤岩瓦斯的吸附/解吸,主要也是孔隙内表面的表面能引起的,如今瓦斯抽采行业发展迅速,因此研究煤孔隙结构与煤电阻率的变化机理也应更进一步。

1.3 煤变质程度

煤变质程度对煤电阻率的影响,主要表现为:随着煤变质程度的提高,煤中碳原子的数目增加、大分子排列有序性增强、芳香层排列更紧密,导致电子由束缚态变为自由态所克服的能量降低,电子流动性加强,煤导电性更好,煤电阻率降低。

学者们针对不同煤岩类型、煤岩结构的导电特性开展过相关研究,取得了煤阶、煤岩结构对煤导电性影响较大这一共性认识[37-40]。这些研究共同佐证了煤导电性与煤变质程度有内在联系,其不同变质程度所对应煤电阻率如图2所示。整体上来看,煤变质程度越高,煤电阻率越低,一方面,研究普遍发现,随着煤变质程度增强,导电方式从以离子导电为主转变为以电子导电为主;另一方面,由于煤岩炭化程度的差异和自身炭的晶体结构,煤电阻率随碳含量增加而降低,特别是当碳含量大于90%时,煤电阻率骤降。

图2 电阻率与煤的变质程度的变化趋势图[7]Fig.2 Trend graph of resistivity and degree of coal deterioration[7]

1.4 煤工业分析

煤的工业分析包括水分、灰分、挥发分和固定碳,是了解煤岩性质的主要指标,也可通过分析大概得出煤中有机质的含量。Chen等[41]通过实验研究,得到在煤含水的情况下,灰分中可溶性物质溶解在水中形成离子,使煤的导电模式从单一的电子导电模式转变为与离子的混合导电模式。这表明水分和灰分使煤电阻率变化更加复杂。首先,水分和灰分改变了煤导电方式,大大提高了煤岩的导电性。当煤中几乎没有水分时,灰分对煤电阻率没有明显的影响;水分含量越高,煤的初始电阻率越低[42-44]。但是,由于煤中的可溶物质相对有限,所以由水分引起的煤电阻率变化是有限的。当水分增加到一定程度时,其对煤电阻率的影响将不再显著[45-48]。李祥春等[12]进行了不同变质程度煤的工业分析,得到挥发分随着变质程度的升高而降低,并对不同煤进行了挥发分与煤电阻率的关系研究,结果表明一定范围内,煤电阻率随其挥发分的提高而增大。煤岩自身性质差异是不同地区、不同煤阶初始电阻率不同的根本原因。

1.5 其他

郑学召等[49]研究认为煤岩内部的矿物元素越多,其导电性越强。因为矿物元素越多,其离子数量也就越多,从而离子导电方式更加强烈,电阻率越小。李祥春等[12]通过能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)对煤样进行元素种类和含量的统计分析,也得到同样结论。汤小燕等[30]、陈学健等[31]经过对大佛寺低阶煤电阻率的研究,得出煤含水率对煤电阻率的变化产生影响。Chen等[41]研究得出煤的内部结构和气-水置换是导致煤电阻率变化的重要原因。综上,可以看出影响煤电阻率的因素有很多,主要因素更是随着不同地区、不同煤阶发生变化,需要针对性的研究。

2 含瓦斯煤岩导电性的研究现状

国内外煤田、煤岩瓦斯领域的储层评价及岩石物理学家充分考虑到煤岩瓦斯对煤导电特性具有较大影响这一客观科学问题,针对不同地区、不同煤岩类型的煤样,相继开展过含瓦斯煤岩导电特性、瓦斯突出区域的电场特征等研究。

2.1 瓦斯突出对煤电阻率的影响

针对中国含高瓦斯煤田安全开采的迫切需求,煤田领域的专家学者都十分重视含瓦斯煤岩的导电特性研究。汤友谊等[50]研究过瓦斯突出煤体的导电性质,得到煤体产生瓦斯突出与否,煤电阻率差异很大;刘保县等[51]开展过含瓦斯无烟煤导电特性的研究,发现在交流电场中含瓦斯煤电阻率与外加电压无关,但随瓦斯压力升高,煤电阻率会有所降低,并且在相同电压和瓦斯压力下,煤的交流电阻率小于直流电阻率。通过不同地区、不同煤阶的煤岩电性参数测试,已明确煤岩电性参数与瓦斯突出危险性之间存在关系,利用这种关系进行瓦斯突出预警值得深入探究。

2.2 吸附/解吸对煤电阻率的影响

Chen等[52]研究设计了煤岩吸附/解吸瓦斯时,煤电阻率变化的实时测试系统,得到了实验煤样在不同气体压力条件下的电阻率变化规律,在吸附瓦斯过程中,煤电阻率降低,解吸过程则相反,且均为线性变化。随后康天慧等[53]、Feng等[54]利用高精度电阻测试实验装置,在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸两种条件下,对无烟煤的电阻率随瓦斯含量的变化规律进行测定,结果表明,煤样在连续吸附/解吸与等体积吸附/解吸条件下,电阻率随着瓦斯吸附量增大先逐渐减小,后趋于平稳,并且等体积吸附时电阻率改变较连续吸附明显,而在等体积解吸结束时,煤电阻率值距离初始值较远。Chen等[41]以低阶煤为研究对象,在吸附/解吸瓦斯过程中,分析研究了煤电阻率、瓦斯吸附量与平衡压力之间的关系,得出在吸附瓦斯、压力升高的过程中煤电阻率与吸附量和平衡压力之间的关系可以用二次函数来描述;而在解吸/降压过程中,其关系可用线性函数描述。综上,从发现吸附/解吸瓦斯影响煤电阻率变化,到得出简单的变化趋势,再到可以用线性关系描述煤电阻率的变化机理,虽然此类研究有研究地区和煤阶的局限性,但这种研究方法和变化规律具有普遍性。使得利用煤电阻率与瓦斯含量的关系预测矿井瓦斯含量,选取煤岩瓦斯抽采开发有利区成为可能,因此明确煤电阻率在吸附/解吸过程中的变化机理,对进一步研究煤电阻率与瓦斯含量之间的量化关系尤为重要。

目前,学者们普遍认为含瓦斯煤岩的解吸滞后特征是导致煤电阻率无法恢复到初始值的一个因素,但不是最主要的因素[55-56],其主要是由于煤基质膨胀后收缩是不可逆的变形过程[57],且吸附过程中释放出的热量也会导致煤基质进一步膨胀,使得煤岩孔隙率降低,煤基质颗粒间更加紧密,另外热量释放散布在煤岩孔隙裂隙中,导致煤岩内部温度升高,煤岩孔隙表面的表面能降低,电子不断被激发并转移到导电通道,如图3所示,从而导致煤电阻率降低[58]。因此温度与煤的电阻率之间存在负相关关系[59-60]。到吸附后期时,吸附甲烷的空间降低,相应的基质膨胀变形减弱,煤电阻率下降速率减慢。在趋于平衡的过程中,煤岩产生新的孔隙裂隙,电阻率产生轻微反弹。

图3 煤岩导电通道[52]Fig.3 Conductive channel of coal[52]

实验中由于受到罐壁的限制,在吸附后期,煤岩骨架基本已不发生变形,所以煤电阻率不会随吸附量的增加而改变。从拟合方程和曲线推测,如图4 所示,电阻率会逐渐趋于稳定[61]。

图4 煤岩吸附瓦斯时电阻率随吸附量的变化曲线[7]Fig.4 Variation curve of resistivity with adsorption amount of coal rock when adsorption of gas[7]

解吸过程则与上述动态变化相反,特别是电阻率无法恢复至吸附前的状态,即在解吸完成时电阻率变化小于吸附完成时电阻率变化幅度,如图5所示。这是由于瓦斯在解吸时,原来借助于气体压力楔开的微孔隙和微裂隙在瓦斯压力突然降低后闭合,部分气体被禁锢于内,导致煤岩产生残余形变,煤电阻率无法恢复原值,并会有所降低[62]。

图5 煤岩解吸瓦斯时电阻率随解吸量的变化曲线[7]Fig.5 Variation curve of resistivity with desorption amount of coal rock when desorption gas[7]

另外在甲烷吸附过程中,吸附在煤孔隙表面的水分子被甲烷分子取代成为游离水分子,溶解更多的矿物质形成大量离子,提高了煤电导率,煤电阻率降低;解吸过程与之相反。但是,水-气置换只能在一定程度上改变煤的电阻率[63-65]。这是由于煤的疏水性,通常会限制吸附水分子的数量,这决定了从吸附状态通过置换转化的自由水分子的数量非常有限。其次,即使可以转化大量的自由水分子,煤中可溶性矿物质的有限性也会限制离子的形成。

3 瓦斯含量对煤导电性影响的研究难点及展望

3.1 瓦斯含量对煤导电性影响的研究难点

从煤电阻率实验研究的进展来看,一方面主要集中在小尺度煤样(标准煤样),很少开展过大尺度煤样(全直径煤样)实验研究;另一方面主要针对的是不同煤岩类型、原生结构煤及受载条件下的煤岩导电特性。尽管基于小尺度煤样的电阻率实验研究,大致能揭示不同煤岩类型、原生结构煤导电特性间的差异性,但由于煤岩割理、微孔、微裂隙非常发育,致使其非均质性比较严重,因此,采用小尺度煤样进行电阻率测试难以满足定量分析精度的要求。

纵观现有瓦斯含量对煤导电特性影响的研究现状及进展,一方面主要集中在电阻率是增大还是减小等定性规律的认识上;另一方面是针对煤田领域的瓦斯预测以及通过瓦斯含量增大以后,导电性的变化来预测瓦斯突出危险区域;再者,煤电阻率与瓦斯含量的关系研究还多停留在实验现象和定性规律方面,还需深入揭示瓦斯含量对煤导电性的作用机理、作用机制以及量化规律。时至今日,尚且没有专门针对瓦斯含量变化及引起煤导电性的量化规律研究,该规律研究必会使电阻率预测瓦斯含量这一研究有质的飞跃,为瓦斯抽采开发行业发展增砖添瓦。

3.2 瓦斯含量对煤导电性影响的研究展望

随着中国当前瓦斯开采领域的快速发展,除解决上述的难点外,还需从以下3个方面获得突破。

(1)由于含瓦斯煤岩导电机理的特殊性及影响因素的复杂多样性,需从煤岩骨架、孔隙结构、孔隙吸附瓦斯及游离瓦斯等角度,借助岩石物理实验和数值模拟等方法,明确含瓦斯煤岩的导电特性和主控因素。

(2)煤变质程度对煤岩导电性的影响较大,但没有区分煤阶、煤岩结构开展瓦斯含量与导电性间的量化关系研究。因此要针对不同地区、不同煤阶以及不同煤岩结构,探明瓦斯含量对煤导电性的影响机理,还原瓦斯含量对煤电阻率变化量的真实贡献信息,是含瓦斯煤岩导电性评价的一个重点问题。

(3)基于业界对含瓦斯煤岩导电特性的研究现状和存在的问题,以煤矿安全开采过程中高瓦斯带预警和瓦斯抽采过程中瓦斯含量精准预测为目标,开展煤岩骨架、瓦斯含量对煤导电性的岩石物理实验和数值模拟研究,加强煤岩学、瓦斯地质学、电法测井学等多学科的交叉综合,结合煤岩孔裂隙、显微组分等特征,明确瓦斯含量与煤电阻率的量化规律。加强温度、压力条件下的煤岩物理基础实验和数值模拟研究,从含瓦斯煤岩导电特性定性认识过渡到瓦斯含量定量预测,并向瓦斯预警与瓦斯抽采方向发展将是该领域发展的趋势。