含水煤层复电阻正交裂隙阻容模型

赵晨光¹，雷东记^1,2，张玉贵^1,2

1. 河南理工大学安全科学与工程学院2. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心

摘 要：针对复电阻率法应用广泛的Cole-Cole模型存在模型参数多、与物性参数关联弱等缺点,研究含水煤层复电阻导电机理及阻容模型,旨在发展适应于评价煤层含水性与水压致裂效果的复电阻率法理论与技术。依据电介质理论,在外加交变电场下,煤层含水裂隙既具有离子自由移动产生的电阻性,也具有离子界面堆积产生的电容性;基于激发极化和煤双重介质理论,借鉴岩石毛细管模型,将煤层含水孔裂隙等效成正交裂隙,即将含水孔裂隙的电阻性等效为与外加电场方向平行的裂隙,其电阻值为R_w,将含水孔裂隙的电容性等效为与外加电场方向垂直的裂隙,电容值为C_w;煤层本身电阻为R_c,电容为C_c;构建正交裂隙与煤层组成的含水煤层复电阻模型,由等效水平裂隙R_w、煤层R_c、等效垂直裂隙C_w及煤层C_c的一路串联,组成的3路并联等效电路。实验选取肥煤和无烟煤2种变质程度煤样,测量其在不同含水饱和度下的复电阻实部R_s和虚部X,使用模型拟合,获取相关的电阻电容参数,并计算煤样孔隙率。结果表明:阻容模型对不同含水饱和度煤样复电阻参数拟合良好,模型参数电阻R与电容C随含水饱和度的增加而减小,不同含水饱和度虚部X曲线极值向右偏移,与模型物理意义相同;阻容模型参数可计算孔隙率,与密度法、核磁共振法实测孔隙率匹配较好。基于激发极化理论和双重介质理论建立的复电阻正交裂隙阻容模型物理意义明确,数学计算简单,模型参数可预测煤样孔隙率。

关键词：阻容模型;等效正交裂隙;复电阻;含水煤层;孔隙率;