CH4-煤吸附/解吸過程視電阻率變化的實(shí)驗(yàn)研究

史利燕，李衛(wèi)波，康琴琴，李 菲，齊佳新

（1.陜西省地質(zhì)科技中心，陜西西安710043；2.陜西省地質(zhì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)中心，陜西西安710043；3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)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]?；诿簩託庠趪夷茉磻?zhàn)略中的重要地位，實(shí)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(bǔ)償密度測井來預(yù)測煤層含氣量，與之相比電阻率測井受擴(kuò)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(dǎo)電特性，將對電阻率測井預(yù)測煤層含氣量、預(yù)防煤與瓦斯突出等提供理論依據(jù)[2]。煤是由大分子有機(jī)物、無機(jī)礦物質(zhì)和水分組成的混合物。煤的導(dǎo)電性一般較差，受溫度、灰分、水分、煤階、煤結(jié)構(gòu)、含氣量等多種因素的影響[5-12]，且普遍認(rèn)為水分、礦物含量、溫度和對煤體的破壞程度與電阻率呈負(fù)相關(guān)[5,13-14]。煤體的導(dǎo)電特性和孔隙結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(dǎo)致煤體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改變，同時吸熱/放熱會影響煤體內(nèi)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(rèn)為孔隙結(jié)構(gòu)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(yàn)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(guān)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(jìn)行了研究，但對其各種影響因素的認(rèn)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(zhì)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(diǎn)關(guān)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(nèi)涵，以期為電阻率測井預(yù)測煤層含氣量、煤與瓦斯突出區(qū)域預(yù)測預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置要求對初步樣品進(jìn)一步加工，按照順層理方向加工成規(guī)格為Φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀樣品，誤差允許范圍±0.02 mm。加工過程中應(yīng)減少對煤樣本身結(jié)構(gòu)的破壞，以免對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖1所示。

圖1 原煤樣與實(shí)驗(yàn)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(shè)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(fēng)干燥箱溫度為378.15 K、時長60 min）（表1）。

表1 煤電阻率測試實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Test scheme of coal resistivity

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)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(nèi)部套管注水的方式來給煤樣施加壓力；②進(jìn)行吸附/解吸：裝置包含樣品缸和參照缸且兩個缸內(nèi)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(nèi)部氣體的壓力和溫度；③電阻值測量：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)步驟：傳感器與計算機(jī)相連，配套的數(shù)據(jù)采集軟件自動進(jìn)行參數(shù)采集。通過環(huán)壓泵加壓，設(shè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Coal resistivity experimental equipment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行研磨篩分，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的工業(yè)分析法：GB/T 212-2008》對煤樣進(jìn)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(jié)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(dǎo)電性

在甲烷吸附/解吸實(shí)驗(yàn)前，對不同煤樣的電阻率進(jìn)行測試，如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)。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(fēng)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(guān)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小；不同類型的煤樣存在一定的差異性。分析空氣干燥基煤樣發(fā)現(xiàn)（圖4），甲烷吸附實(shí)驗(yàn)之前，鏡煤、暗煤和混合柱樣的電阻率基本相當(dāng)（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??；解吸過程中，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(dāng)，暗煤降低程度相對較?。淄榈奈搅啃?，黏土礦物不吸附甲烷）；解吸過程中，隨著吸附量減?。ń馕黠@），但電阻率基本無變化。通風(fēng)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(dāng)，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(fēng)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(guān)系

將不同煤樣的吸附壓力-電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，升壓吸附過程，二次函數(shù)表征電阻率-平衡壓力關(guān)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(guān)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(shí)驗(yàn)樣擬合度R2皆超過0.9。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)巖，是不良導(dǎo)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(zhì)和水分，所以在煤基質(zhì)中，水-礦物電解質(zhì)體系會使煤具有一定的導(dǎo)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(tuán)越多。暗煤電阻率實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(yùn)動增強(qiáng)，致使導(dǎo)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(yùn)動，導(dǎo)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(zhì)會發(fā)生膨脹變形，壓縮孔隙空間，使得煤內(nèi)部顆粒之間接觸更為緊密，導(dǎo)電性增強(qiáng)。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(zhì)使得煤基質(zhì)中離子含量增多，煤體導(dǎo)電主要以電子導(dǎo)電轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕噪x子導(dǎo)電為主、電子導(dǎo)電為輔的導(dǎo)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(dǎo)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(fù)雜（圖10）。煤的潤濕性差異主要是由煤大分子結(jié)構(gòu)含氧官能團(tuán)、表面粗糙度、黏土礦物含量決定。普遍認(rèn)為，鏡煤的潤濕性較暗煤差，暗煤組分更易被水潤濕：①因?yàn)殓R煤主要是通過凝膠化作用形成，礦物雜質(zhì)少，暗煤反之，外來礦物（親水性強(qiáng)）較多，工業(yè)分析結(jié)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(tuán)有關(guān)，極性含氧官能團(tuán)可以與水分子發(fā)生偶極作用，以氫鍵方式締合，增強(qiáng)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(tuán)的種類。③煤中水分（由于水的表面張力與煤孔隙的毛細(xì)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(nèi)壁潤濕鋪展，導(dǎo)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(dǎo)致升壓過程煤的導(dǎo)電性逐漸增強(qiáng)，電阻率降低，實(shí)驗(yàn)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(jié)），部分吸附態(tài)甲烷解吸。實(shí)驗(yàn)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(zhì)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?？紫侗砻婧豕倌軋F(tuán)越多，負(fù)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(qū)動。雙電層會施加與流體運(yùn)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(dǎo)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(dǎo)致相同條件下鏡煤的導(dǎo)電性能好于暗煤，即鏡煤的電阻率小于暗煤的電阻率。

4 結(jié)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(fēng)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?。桓稍飾l件（通風(fēng)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(guān)系，其主要原因是甲烷吸附放熱、煤體膨脹以及水在孔喉內(nèi)壁的鋪展導(dǎo)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(guān)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(dǎo)電。煤體的物質(zhì)組成和孔隙結(jié)構(gòu)對其疏水性具有顯著影響。無機(jī)礦物（灰分）疏水性差，可以增強(qiáng)煤體的潤濕性。另外，研究區(qū)含氧官能團(tuán)的類型，暗煤含有更多的羥基和羧基等極性含氧官能團(tuán)，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(dǎo)致孔喉內(nèi)壁的雙電層結(jié)構(gòu)間擴(kuò)散層間距大小懸殊，擴(kuò)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(kuò)散層帶電粒子少，電阻率較大。