史利燕，李衛(wèi)波，康琴琴，李 菲，齊佳新

（1.陜西省地質科技中心，陜西西安710043；2.陜西省地質調查實驗中心，陜西西安710043；3.西安科技大學地質與環(huán)境學院，陜西西安710054）

煤體電阻率是煤體重要的電性參數(shù)，亦是開展電法勘探的物性前提[1-2]。基于煤層氣在國家能源戰(zhàn)略中的重要地位，實施煤層氣勘探與儲層評價對保障國家能源安全意義重大[3-4]。目前主要采用補償密度測井來預測煤層含氣量，與之相比電阻率測井受擴徑等環(huán)境因素的影響較小，探測深度較深。因此，揭示煤層氣儲層導電特性，將對電阻率測井預測煤層含氣量、預防煤與瓦斯突出等提供理論依據(jù)[2]。煤是由大分子有機物、無機礦物質和水分組成的混合物。煤的導電性一般較差，受溫度、灰分、水分、煤階、煤結構、含氣量等多種因素的影響[5-12]，且普遍認為水分、礦物含量、溫度和對煤體的破壞程度與電阻率呈負相關[5,13-14]。煤體的導電特性和孔隙結構的演化共同決定了電阻率的變化特征[15-18]。

煤是一種多孔介質，孔隙中流體的數(shù)量及賦存狀態(tài)對煤體的電阻率有著明顯影響。甲烷的吸附/解吸導致煤體內部孔隙結構的改變，同時吸熱/放熱會影響煤體內部電子狀態(tài)，從而引起煤體視電阻率的變化。李祥春等[6,19-20]研究認為孔隙結構對電阻率的影響較大，煤體中孔隙、裂隙越小，電阻率較低。陳鵬等[21]得出隨著瓦斯壓力的增大，煤體電阻率均呈下降趨勢，電阻率在試驗前期下降幅度較大，后期下降幅度變小并趨于平穩(wěn)?？堤旎鄣萚22]，湯小燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)，煤體電阻率隨所受圍壓作用時間先快速下降，且圍壓越大，下降越明顯，但之后會逐漸趨于穩(wěn)定。煤體電阻率隨煤中瓦斯含量增大呈線性減小。薛王龍等[24]發(fā)現(xiàn)煤體電阻率隨甲烷吸附量的增加，先逐漸降低，后趨于穩(wěn)定；而在甲烷解吸過程中，煤體電阻率與含氣量呈指數(shù)關系。目前雖然初步對煤在甲烷吸附/解吸過程中的電阻率變化進行了研究，但對其各種影響因素的認識仍不統(tǒng)一[25]。煤是一種混合物，宏觀煤巖組成有鏡煤、亮煤、暗煤、絲炭，且各組分皆含有礦物質和水分?，F(xiàn)有的研究成果對不同宏觀煤巖組成電阻率的差異性鮮有分析。重點關注煤中不同宏觀煤巖組分甲烷吸附/解吸過程電阻率的變化規(guī)律，揭示甲烷吸附對煤體視電阻率作用的核心內涵，以期為電阻率測井預測煤層含氣量、煤與瓦斯突出區(qū)域預測預報提供科學依據(jù)。

1 樣品與實驗

1.1 樣品制備

實驗樣品采自彬長礦區(qū)4號煤層采煤工作面，含煤地層為侏羅系延安組。根據(jù)實驗需求初步分離加工鏡煤條帶集中樣2 個、暗煤條帶集中樣4 個，樣品規(guī)格50 cm×50 cm×50 cm。之后根據(jù)實驗裝置要求對初步樣品進一步加工，按照順層理方向加工成規(guī)格為Φ50 mm×100 mm的標準圓柱狀樣品，誤差允許范圍±0.02 mm。加工過程中應減少對煤樣本身結構的破壞，以免對測試結果產生影響，如圖1所示。

圖1 原煤樣與實驗樣品Fig.1 Raw coal sample and experimental sample

為了研究分析不同環(huán)境條件下，不同煤樣吸附/解吸甲烷時電阻率的變化規(guī)律，設計了3 個系列煤樣：空氣干燥基煤樣（A1、A2、A3）、自然吸水煤樣（B1、B2、B3，含水率分別為8.31%、7.13%、7.37%）、干燥煤樣（通風干燥箱溫度為378.15 K、時長60 min）（表1）。

表1 煤電阻率測試實驗方案Table 1 Test scheme of coal resistivity

1.2 實驗設備

實驗所用裝置的名稱為煤儲層電阻率測試儀，其具體功能主要包括以下3個方面：①給煤樣施加壓力：裝置樣品缸為套管，通過向樣品缸內部套管注水的方式來給煤樣施加壓力；②進行吸附/解吸：裝置包含樣品缸和參照缸且兩個缸內部均裝有氣體溫度和氣體壓力傳感器，用于測量樣品缸和參照缸內部氣體的壓力和溫度；③電阻值測量：實驗所用測試儀為TH2515 型，其測量精度為0.01 %，最小分辨率為0.1μΩ。實驗裝置實物圖如圖2所示。實驗步驟：傳感器與計算機相連，配套的數(shù)據(jù)采集軟件自動進行參數(shù)采集。通過環(huán)壓泵加壓，設定好圍巖壓力。注入甲烷—吸附平衡—再次注氣吸附—吸附平衡直至3 MPa，解吸過程中的操作為排氣降壓—解吸平衡—再次排氣降壓直至0 MPa。數(shù)據(jù)采集軟件每隔20 s記錄一次測試煤柱電阻值。

圖2 煤電阻率實驗設備Fig.2 Coal resistivity experimental equipment

2 實驗結果

2.1 工業(yè)分析

通過手工剝離采集煤樣中的鏡煤與暗煤，并進行研磨篩分，參照國家標準《煤的工業(yè)分析法：GB/T 212-2008》對煤樣進行工業(yè)分析，包括空氣干燥煤水分（Mad）、空氣干燥煤灰分（Aad）、空氣干燥煤揮發(fā)分（Vdaf）、空氣干燥煤固定碳（FCad），結果見表2。

表2 煤的工業(yè)分析Table 2 Proximate analysis coal sample

2.2 甲烷吸附前煤體導電性

在甲烷吸附/解吸實驗前，對不同煤樣的電阻率進行測試，如圖3 所示。實驗結果發(fā)現(xiàn)，在空氣干燥條件下，暗煤、鏡煤與混合柱樣的電阻率基本相當。在自然吸水條件下，3種不同類型煤樣的電阻率均明顯降低，說明含水率對電阻率是有影響的，并且自然吸水樣中B1的含水率最高，其電阻率的下降幅度較B2、B3更為明顯，B2、B3含水率相近，電阻率的下降幅度基本一致。通風干燥箱溫度為378.15 K 的條件下，3 種不同類型煤樣的電阻率均明顯升高，其中暗煤的電阻率與空氣干燥基樣相比增加了4.5 倍，鏡煤和混合柱樣電阻率分別增加了1.2 倍和1.6 倍。以上均說明煤中含水率對電阻率影響明顯，隨著含水率的升高電阻率降低。

圖3 甲烷吸附前煤樣電阻率Fig.3 Resistivity of coal sample before methane adsorption

2.3 甲烷吸附/解吸后煤體電阻率變化

2.3.1 甲烷吸附量與電阻率的關系

不同煤樣吸附/解吸甲烷對其電阻率是有影響的，總體表現(xiàn)為隨著甲烷的吸附，煤體的電阻率明顯降低，而甲烷解吸時，電阻率變化幅度相對較?。徊煌愋偷拿簶哟嬖谝欢ǖ牟町愋?。分析空氣干燥基煤樣發(fā)現(xiàn)（圖4），甲烷吸附實驗之前，鏡煤、暗煤和混合柱樣的電阻率基本相當（3 200 Ω·m）；甲烷吸附過程中，隨著吸附量增加，電阻率明顯降低，混合煤樣尤為明顯，鏡煤次之，暗煤最?。唤馕^程中，隨著吸附量減小，電阻率微小地增加。自然吸水煤樣（圖5）由于B1（暗煤）、B2（鏡煤）、B3（混合柱樣）含水率分別為8.31 %、7.13 %、7.37 %，暗煤的含水率最大，甲烷吸附之前，電阻率最小，并且可以看出電阻率與含水率成反比，含水率越大，電阻率下降幅度越大，趨于平穩(wěn)越快；在吸附過程中，隨著吸附量增加，電阻率明顯降低，混合煤樣和鏡煤基本相當，暗煤降低程度相對較小（甲烷的吸附量小，黏土礦物不吸附甲烷）；解吸過程中，隨著吸附量減小（解吸明顯），但電阻率基本無變化。通風干燥箱溫度為378.15 K 的干燥煤樣（圖6）由于樣品中水分較低，初始電阻率均較大，其中暗煤（17 000 Ω·m）、混合煤樣（9 000 Ω·m）、鏡煤（7 200 Ω·m）；吸附過程中，隨著吸附量增加，電阻率明顯降低，混合煤樣與鏡煤相當，暗煤降低程度相對較大；解吸過程中，隨著吸附量減小，電阻率無明顯變化。

圖4 空氣干燥基煤樣甲烷吸附/解吸電阻率變化Fig.4 Variation of methane adsorption/desorption apparent resistivity in air-dried coal samples

圖5 自然吸水煤樣甲烷吸附/解吸電阻率變化Fig.5 Variation of methane adsorption/desorption apparent resistivity in natura water-absorbing coal samples

圖6 通風干燥箱溫度為378.15 K的干燥煤樣甲烷吸附/解吸電阻率變化Fig.6 Variation in resistivity during adsorbed/desorbed methane of dry coal samples at 378.15 K

從圖7—圖9 可以發(fā)現(xiàn)，暗煤、鏡煤和混合柱樣在不同含水率條件下（空氣干燥基/自然吸水/溫度378.15 K下干燥），在吸附階段，均表現(xiàn)為隨著壓力增加，吸附量增加，電阻率降低。在解吸階段，隨著壓力降低，電阻率變化不明顯。吸附開始時，溫度378.15 K下干燥樣的電阻率最大，自然吸水樣的電阻率最小。

圖7 暗煤吸附壓力-電阻率數(shù)據(jù)擬合Fig.7 Data fitting between pressure and resistivity of methane adsorption with durain

圖8 鏡煤吸附壓力-電阻率數(shù)據(jù)擬合Fig.8 Data fitting between pressure and resistivity of methane adsorption with vitrain

圖9 混合柱樣吸附壓力-電阻率數(shù)據(jù)擬合Fig.9 Adsorption pressure-apparent resistivity data fitting of mixed coal pillar samples

2.3.2 吸附壓力與電阻率的關系

將不同煤樣的吸附壓力-電阻率數(shù)據(jù)進行擬合，升壓吸附過程，二次函數(shù)表征電阻率-平衡壓力關系時擬合度R2皆超過0.8。降壓解吸過程，一次函數(shù)表征電阻率-平衡壓力關系時，除C 組樣與B 組自然吸水樣擬合度（表3）較低外，其他實驗樣擬合度R2皆超過0.9。

表3 實驗結果擬合方程Table 3 Fitting equations for the experimental results

3 分析與討論

煤是可燃有機巖，是不良導體，電阻率一般較高[26]，同時煤是一種混合物，宏觀煤巖組成有鏡煤、亮煤、暗煤、絲炭，且各組分皆含有不同量的礦物質和水分，所以在煤基質中，水-礦物電解質體系會使煤具有一定的導電性。首先，從圖5、圖6 可以看出干燥樣的視電阻率無論是鏡煤、暗煤還是混合樣都明顯高于自然吸水樣。其次，從表2 可以發(fā)現(xiàn)，暗煤的固定碳含量（FCad）大于鏡煤，暗煤的揮發(fā)分（Vdaf）小于鏡煤。相對而言，煤中鏡煤含量越高，固定碳含量越低，揮發(fā)分越高，其含氧官能團越多。暗煤電阻率實驗曲線位于鏡煤的曲線之上，即暗煤電阻率大于鏡煤，煤體中鏡煤含量越多，煤的導電性能越好。

眾所周知，一方面煤體吸附甲烷釋放熱量，引起煤體表面能降低，電子和離子運動增強，致使導電性變好。相反，解吸吸熱，煤體溫度降低，表面能升高，束縛電子和離子的運動，導電性變差。另一方面，甲烷吸附過程中，隨著含氣量的增加，煤基質會發(fā)生膨脹變形，壓縮孔隙空間，使得煤內部顆粒之間接觸更為緊密，導電性增強。在吸附后期，煤體骨架基本已不發(fā)生變形，所以煤體電阻率基本穩(wěn)定。最后，影響煤體視電阻率主要是屬于混合物的煤中水分溶解礦物質使得煤基質中離子含量增多，煤體導電主要以電子導電轉變?yōu)橹饕噪x子導電為主、電子導電為輔的導電方式，從而影響煤體視電阻率。

水分存在使得吸附/解吸過程煤導電性變化程度增大，不同煤巖組分潤濕性差異使煤的電阻率變化趨于復雜（圖10）。煤的潤濕性差異主要是由煤大分子結構含氧官能團、表面粗糙度、黏土礦物含量決定。普遍認為，鏡煤的潤濕性較暗煤差，暗煤組分更易被水潤濕：①因為鏡煤主要是通過凝膠化作用形成，礦物雜質少，暗煤反之，外來礦物（親水性強）較多，工業(yè)分析結果也表明暗煤的灰分較高。②煤的潤濕性與其表面極性含氧官能團有關，極性含氧官能團可以與水分子發(fā)生偶極作用，以氫鍵方式締合，增強煤—水間的相互作用，提高煤的潤濕性，但一般親疏水性最終還是取決于含氧官能團的種類。③煤中水分（由于水的表面張力與煤孔隙的毛細管力）主要賦存在孔喉表面。一方面，賦存于煤孔喉表面水升壓時在孔喉內壁潤濕鋪展，導致煤的電阻率降低。隨著壓力增大，水潤濕均勻化，類似于水均勻吸附（潤濕鋪展），導致升壓過程煤的導電性逐漸增強，電阻率降低，實驗曲線呈下降趨勢（圖10a）。另一方面，在降壓過程中，甲烷自由度較水高，水在孔喉壁吸附（凝結），部分吸附態(tài)甲烷解吸。實驗曲線整體水平隨壓力減小，曲線有微翹趨勢，是由于部分水解吸所致（圖10b）。

圖10 甲烷吸附/解吸過程中煤孔隙中水-CH4行為對比Fig.10 Comparison of water-CH4 behavior in coal pores during methane adsorption/desorption

煤基質中孔隙基本上以納米微孔為主，比表面積大，增加了界面流體的阻力。孔隙表面含氧官能團越多，負電荷越明顯。煤體表面能會改變電子和離子分布，形成雙電層。H2O 是一種極性分子，受甲烷氣體的壓力驅動。雙電層會施加與流體運動方向相反的電場力，阻礙通道中的氣體流動[27]；另外甲烷氣體的壓力導致雙電層穩(wěn)定均勻，在解吸過程中電阻率相對穩(wěn)定。相較暗煤，鏡煤孔隙連通性差，但孔喉曲率較大[28-29]，帶電粒子數(shù)量多，最終導致相同條件下鏡煤的導電性能好于暗煤，即鏡煤的電阻率小于暗煤的電阻率。

4 結論

1）暗煤的固定碳含量高于鏡煤，灰分、水分低于鏡煤。對比3 組樣品的初始電阻率，干燥樣（通風干燥箱溫度為378.15 K）最大、空氣干燥基樣次之、自然吸水樣最??；干燥條件（通風干燥箱溫度為378.15 K）下，3 種不同類型煤樣的電阻率均明顯升高，其中暗煤的電阻率與空氣干燥基樣相比增加了4.5 倍，反映出水分對煤體電阻率影響明顯。

2）甲烷的吸附對煤體視電阻率的影響表現(xiàn)為隨著甲烷的吸附，煤體的視電阻率明顯降低，升壓（吸附）過程，煤體視電阻率與壓力、吸附量呈二次減函數(shù)關系，其主要原因是甲烷吸附放熱、煤體膨脹以及水在孔喉內壁的鋪展導致電阻率降低；降壓（解吸）過程，煤體視電阻率與壓力、吸附量關系不大。

3）不同類型的煤樣甲烷吸附對電阻率的影響存在一定的差異性。鏡煤含量越高、暗煤含量越小，煤體的視電阻率越小，越易于導電。煤體的物質組成和孔隙結構對其疏水性具有顯著影響。無機礦物（灰分）疏水性差，可以增強煤體的潤濕性。另外，研究區(qū)含氧官能團的類型，暗煤含有更多的羥基和羧基等極性含氧官能團，而鏡煤則含醚氧基和酯鍵較多，故暗煤的潤濕性更好。相較于暗煤，鏡煤孔喉曲率變化大，導致孔喉內壁的雙電層結構間擴散層間距大小懸殊，擴散層帶電粒子多、分布不均一，在電場作用下電阻率相對較低；而暗煤孔喉連通性相對較好，擴散層帶電粒子少，電阻率較大。