等离子体致裂煤岩增透技术及研究进展

林柏泉，张祥良,2,3

(1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 地球与资源科学学院，江苏 徐州 221116；3.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008)

随着煤及其共伴生资源开采深度的加深，高瓦斯含量、高地应力、高吸附性、低渗透性即“三高一低”等制约煤及其共伴生资源开采的赋存特征愈加突出[1-2]。瓦斯(煤层气)作为一种清洁能源，在工业、民生等领域中被广泛应用[3]。此外，大量的瓦斯若直接排放至大气中，会带来比CO2气体的影响更为严重的温室效应[4]。因此，推进煤及其共伴生资源的高效清洁发展，对助力“碳中和”具有重要的战略意义[5]。

通过外力的手段改善储层的渗透率，是强化瓦斯抽采的关键。对具备保护层开采条件的煤层群组而言，通过保护层开采的方式对邻近层进行卸压增透是较为理想的瓦斯抽采方法[6]。对于单一煤层、具备保护层开采条件的首采层，以及不具备保护层开采条件的煤层，往往采用水力化措施(水力压裂、割缝、冲孔等)进行煤层增透[7]，但随着煤炭资源开采深度逐年加深，这些措施在面临更高的地应力、瓦斯压力、温度等环境时会显现出优势减弱的态势。此外，水力化措施会将大量水滞留在煤体内部的孔隙和吼道中，堵塞瓦斯流动的通道，形成水锁效应，这种情况通常需要匹配其他解堵方法才能够达到较为理想的增透效果[8]。

得益于国家能源战略的总体规划，煤层增透技术的研究已经成为煤炭资源开采过程中的热点之一，大量新兴的煤层增透方法应运而生，如液氮冻融法[9]、注热法[10]、注气驱替法[11]、酸洗法[12]、流态化开采[13]等。这些方法有各自的优点，但也缺乏一定的现场应用经验：液氮冻融法、注热法均要求煤体具有较强的导热性，而这与煤体本身导热性较差的特性相矛盾；注气驱替法比较适应渗透性较好的储层，因此在应用的过程中往往需要结合其他的增透方式对储层渗透率进行预先增透；酸洗法在改造煤储层的过程中，往往容易对煤的品质产生一定的影响。因此，亟待探索更加方便、简洁的储层改造方法。

以物理放电为基础的等离子体具有能量密度大、破坏能力强、温度高、重复性可靠、致裂范围可控等特征[14]，逐渐被应用到各个领域，比如煤层气[15]、页岩气[16]等致密气的开采、矿物分选[17]、采空区切顶[18]等。研究表明，等离子体在储层造缝、改善储层孔隙结构等方面具有一定的优势[19]：煤作为一种非均质性强的多孔材料，其组分(煤基质、瓦斯气体、矿物等)之间的电学性质差异大，电场强度在不同组分之间极易引起畸变，从而造成电场强度局部集中，即等离子体对煤体的致裂具有选择性[20]；此外，等离子体通道本身具有极高的温度(104K)，大量的热能可改变煤体表面的官能团结构[21]，进而影响瓦斯的吸附性。由此可见，以物理放电为基础的等离子体在煤层致裂增渗领域有着巨大的应用潜力。

笔者在多年研究工作的基础上，结合该领域国内外最新的研究进展，从等离子体致裂固体的2种方式(电破碎和液电效应)出发，深入分析等离子体致裂煤岩的研究现状，并提出了等离子体增透技术面向化石能源领域的应用趋势，希望能够激发读者更深层次的思考，吸引更多的学者投入到等离子体致裂煤岩领域的基础研究中，推动等离子体技术在深地化石能源开采领域的应用。

1 等离子体基本原理及应用概述

1.1 广义等离子体

布鲁克斯率先发现了物质的第4种形态，朗格缪尔进一步明确了该形态为等离子体(Plasma)[22]。通常所讲的广义等离子体是指物质随温度变化过程中的一种相态表现形式，图1展示了等离子体的形成。大多数物体在外界环境温度逐渐升高时会先后经历固、液、气3种状态，若温度继续升高，原本相对稳定的原子、分子会出现极化、电离的现象，形成电子、离子等带电粒子，以及未被极化、电离的原子、分子组成的混合相态，这就是广义上的等离子体。

图1 广义等离子体形成原理

1.2 等离子体应用现状

目前，等离子体在人们日常生活中的应用普遍存在，Vajpayee Mona等[23]利用等离子体缓解了香蕉冷藏过程中成熟过快的难题；朱金龙[24]利用等离子体水中放电产生可控冲击波的方式处理人体肾结石，开启了等离子体在医治肾结石的新篇章；吴玉程[25]利用等离子体改善金属钨材料的韧性，极大地促进了该材料在工程中的应用。此外，等离子体还被应用于电磁炮、电磁点火等领域[26]。

综上所述，无论是在日常生活中还是在航空航天等高端科技领域，等离子体均得到了非常广泛的应用，如图2所示。而以物理放电为基础的等离子体技术，其具有独特的优势，在化石能源开采领域已经引起了业界的高度关注。

图2 等离子体应用领域

2 等离子体致裂煤岩方式及过程

2.1 煤岩致裂领域等离子体定义

20世纪60年代脉冲功率技术迅速发展并逐渐成为一门新兴的独立学科，等离子体增透的基础正源于此。Burkin在利用等离子体水中放电制取氢和氧的过程中，偶然发现产生的冲击波具有致裂岩石的可能性，随后以物理放电为基础的等离子体在矿山、化石能源开采领域引起了高度关注[27]。通常是利用储能电容将功率为10-1MW数量级的初级电能进行一系列的压缩与变换，转化为103MW数量级的能量并进行存储，最终将经过时间和空间压缩后的能量瞬间施加到负载上[28-29]，转化过程如图3所示。在高功率电场的作用下煤骨架分子结构、黏土矿物分子结构、孔隙内部的气体分子结构，以及离子结构不断地被激发产生极化和弛豫现象，从而在煤体内部形成等离子体通道，并在通道的极速膨胀与冲击作用下实现煤岩体的致裂[14]。

图3 脉冲功率转换原理

2.2 破碎方式基本原理

电破碎和液电效应是等离子体破碎固体的2种方式[30-31]。

1)电破碎是直接将放电电极与固体材料接触，在放电的瞬间等离子体通道直接形成在固体内部。放电环境可以是水介质、绝缘油介质、空气介质等绝缘性较强的介质。与液电效应不同的是，电破碎将等离子体通道直接形成在固体内部。研究表明，放电瞬间(微秒或纳秒)等离子体通道内能够聚焦到极高的能量和压力(约10～100 J/cm2、109～1010Pa)[32]，因此，当等离子体通道直接形成在煤岩体内部时，极大的膨胀应力和冲击作用会使煤岩体从内部发生张拉破坏，如图4(a)所示。

图4 等离子体致裂煤岩原理

2)在液电效应中，通常采用水介质作为传递冲击波的载体。等离子体首先需要在水介质中进行放电，通过放电通道产生瞬间膨胀作用和爆生气体，短时间内气泡内的压力不断传递给周围的水介质，形成强大的冲击波，冲击波前沿作用于煤岩表面使其发生破裂，如图4(b)所示。该方式正负电极之间可以是3种不同的物质，分别是：水介质、金属丝、包裹含能材料的金属丝，其本质是通过等离子体击穿不同的负载使水介质产生冲击波，而不同负载引起冲击波的作用效果也不同。

2.3 等离子体致裂煤体过程

结合等离子体在煤体内部的流注发展模型与固体电介质击穿理论，可知等离子体击穿煤体的破碎过程包含4个阶段：放电先导形成、等离子体通道的初步形成、等离子体通道的膨胀、煤体破碎[33]。具体过程为：①在电场形成的初始阶段，由于外加电场的存在，使煤体内部携带正负电荷的粒子朝着相反方向运动，从而使煤体产生极化现象，在正电极附近初步形成微小的电流分支，即为放电先导；②随着被极化的粒子数量增多，大量极化态的粒子沟通了正负电极，且粒子之间的分布逐渐趋于集中，在煤体内部形成了一条主要的通道，即为等离子体通道的初步形成；③等离子体通道本身的电阻非常小，通常只有几欧姆，因而剩余的能量会被瞬间注入到等离子体通道中，使等离子体通道在煤体内部迅速向外扩张；④当等离子体通道产生的作用力超过煤体的抗拉强度时，煤体发生破碎。整个过程如图5所示。

为进一步深入研究等离子体击穿煤体的动态发展过程，选取直径为5 cm、高度为1 cm的圆柱形杨庄无烟煤试样，对击穿过程进行了拍摄，设置击穿电压为9 kV，结果如图6所示。亮光是由空气及煤中的粒子在强电场作用下碰撞电离形成的，因此，可以通过亮光的分布反映等离子体通道的发展情况。从图6中可以看出，首先在放电的起始阶段，正电极附近形成了非常明显的亮光，这是由于大量的电子从正电极附近迁移至负电极，从而在煤体内部形成初步的放电先导，这与图5(a)中的阶段一是相对应的；放电累计至200 μs时，负电极周围也出现了非常明显的亮光，这就意味着大量电离状态的粒子已经在煤体内部形成，即等离子体通道已初步贯通，这与图5(a)中的阶段二是相对应的；随着时间的进一步推移，等离子体通道在煤体内部以电极轴向为起点不断地沿着径向进行扩展，这与图5(a)中的阶段三是相对应的；1 300 μs时从拍摄的图片中可以首次观察到煤体出现破裂的现象，说明开始进入阶段四，之后破碎的煤体在等离子体通道产生冲击波的作用下四处崩落。由此可知，等离子体通道贯穿煤体的时间约为1 700 μs(图中亮光存在的时间)，等离子体通道击穿煤体的时间大约为毫秒级别。

(a)等离子体发展阶段

图6 等离子体击穿煤体动态发展过程

3 等离子体致裂煤岩效果研究

3.1 电破碎对煤岩结构的影响规律

3.1.1 微观孔隙结构

在孔隙结构方面，YAN Fazhi等[34]通过压汞试验得出：等离子体击穿后煤样的孔隙率和总孔容均存在一定幅度提升，但不同变质程度的煤样增加幅度有一定差异，这与对煤样施加的击穿电压、原生孔隙结构和变质程度等因素有关；击穿后煤样内部中、大孔增多，开放性孔增加，但是随着击穿电压的上升，累计孔容呈现出先增大后减小的趋势，这说明击穿电压存在一个最优值。ZHANG Xiangliang等[35]基于核磁共振技术揭示了击穿煤体多尺度孔隙结构的演化规律，发现击穿煤体内部孔隙结构得到明显的改善，其中中孔的增长幅度最为明显，如图7所示；同时，基于核磁共振的分形维数计算结果表明煤体内部渗流孔具备分形特征，渗流孔的分形维数随着击穿电压的增加而增加；最后，通过构建击穿煤体孔裂隙等效拓扑网络模型，可视化、定量化地研究了击穿煤体内部孔裂隙结构的空间分布特征。上述研究主要集中在较大的渗流孔隙，为进一步研究更小尺度的孔隙结构，NI Zhen等[36]探究了等离子体击穿对煤体纳米级孔隙结构的影响，发现对于烟煤来说，煤体中小于2 nm的微孔被大量改造，比表面积减小，孔容较小，使气体失去了可靠的存储空间，在很大程度上降低了气体解吸的难度。

(a)煤样击穿前后T2曲线

现有研究成果表明，煤岩在等温情况下不同瓦斯压力的吸附解吸变形现象，基本上符合Langmuir等温吸附方程[1-2,14-20]。

3.1.2 宏观裂隙结构

以空气为介质的等离子体击穿煤体主要有2种形式：内部击穿和沿面击穿。内部击穿是指等离子体通道建立在样品内部，巨大的能量瞬间在等离子体通道内部形成膨胀应力和冲击波致使煤样发生破碎；而沿面击穿是指等离子体通道沿着煤样表面发展，这种情况下，大部分能量耗散在空气中，无法有效改造煤样的孔裂隙结构。

由于等离子体本身存在较高的温度，致裂后煤样表面通常会呈现出烧灼状态，更进一步地，受等离子体膨胀应力及冲击波的影响，煤样原生结构遭到破坏，形成了较多裂隙，其深度和宽度均能达到几十至数百微米，如图8所示。随着击穿电压的升高，注入岩样内部的能量增大，产生了更大的冲击，使其破碎现象更加明显。

(a)监测线位置

随着等离子体循环次数的增加，煤体表面微观裂隙的破碎程度越厉害，ZHANG Xiangliang等[37]通过扫描电镜的方法探究了等离子体循环作用对煤体表面裂隙的影响规律，发现循环击穿5次后煤样表面的裂隙明显比单次击穿作用下产生的裂隙更加丰富，击穿电压、电极间距、煤岩体种类等都是影响裂隙起裂及发育的重要因素。

3.2 液电效应对煤岩结构的影响规律

3.2.1 液中放电的波动效应

液态环境下的等离子体放电是通过液电效应将高功率电能量转换为冲击波能量，是一种基于物理方式的煤岩体致裂技术，其过程包括水间隙击穿和电弧放电2个阶段：携带巨大热能的高密度等离子体通道在水中极速(微秒或纳秒级别)的膨胀与收缩，在水中产生大量的气泡，挤压水介质，形成脉动式的冲击波。

相关研究表明，等离子体水中放电包括一次激波、二次激波及循环激波，而空腔脉冲是形成二次激波及循环激波的主要原因，如图9所示[38]。卢新培等[39]通过水中电场放电产生等离子体电弧的实验得出一个球模型，反映了通道内压力、温度、粒子数密度随时间的变化规律，以及冲击波压力特性；张永民[40]、安世岗[41]等提出了在金属丝外围包裹含能材料的方式，增强了液中放电冲击波的峰值强度及能量，从而使液中放电致裂煤储层的范围达到了工程尺度。

(a)冲击波压力曲线

当冲击波在煤岩体本身的裂隙、节理、较大的孔隙等缺陷内部传播时，界面处的入射波与反射波会使冲击波相互叠加，从而增加冲击波的峰值，使冲击波的破坏性得到进一步提升。入射波的压缩与反射波的拉伸作用，使煤岩体不断地疲劳损伤，直至裂隙产生、扩展，最终形成相互贯通的裂隙网络。

3.2.2 孔—裂隙结构的影响规律

等离子体循环次数是影响煤体内部孔—裂隙结构的一个重要因素，研究表明，微裂隙密度随击穿次数增加可以分为3个阶段：初期缓慢增长、中期快速增长、后期趋于稳定，但就孔隙结构而言，随着冲击波作用次数的增加，煤的孔容、比表面积、平均孔径、有效孔隙率均有不同程度的增加，特别是大孔孔容及其百分比明显增加，孔隙结构逐步得到改善[42]。此外，放电能量与煤级之间存在“双低效应”，即煤级越低的情况下，输入能量要求也越低，其致裂效果可能会更好[43]。鲍先凯[44]在水力压裂的基础上探讨了水中放电冲击波对煤岩体裂隙起裂压力的影响规律，发现传统的水力压裂技术，煤样在18 MPa时才会产生主裂隙，而等离子体在12 MPa的压力水中放电已能够使煤样产生贯穿性的裂纹；卢红奇[45]发现对于单轴抗压强度较大的煤体在冲击波作用下，裂隙一般会经历4个阶段：准备、缓慢发展、快速发展及破坏阶段。等离子体水中放电对煤体的作用效果主要是冲击波的冲击效应，这个过程伴随着气泡溃灭的空化作用。重复的冲击波对煤体不断地进行振动和剪切造缝作用，在煤体内部不断的入射与反射，使煤体产生挤压与拉伸破坏。

3.3 破碎方式对比

3.3.1 原理区别

电破碎和液电效应是等离子体致裂固体的2种基本原理，均存在可重复性操作、破坏性强、致裂范围可控等优势，但液电效应是先将电能转化为冲击波的机械能，再使煤体破坏，而电破碎则是直接将电能转化为破碎煤体的机械能，省略了能量的二次转化过程，从理论上讲能量利用效率更高。此外，岩石抗拉强度通常是抗压强度的4%～25%[46]，电破碎是将等离子体通道直接形成在煤体内部，对于力学强度更高的岩石(页岩、花岗岩等)，与液电效应相比，电破碎方式具有更加显著的优势。

3.3.2 致裂效果区别

使用电破碎的方式时，煤体是直接暴露在强电场的环境下，电场强度的空间分布情况是决定煤体裂隙起裂及扩展的关键，而煤体作为一种多孔、富矿的骨架结构，内部的孔隙、矿物等均会对电场产生影响。笔者通过进一步的研究表明，裂隙通常会沿着矿物与煤基质的分界面进行扩展，即等离子体对煤体的致裂行为具有选择性，这主要是由于电场强度在低介电常数介质内部表现出增强趋势、在高介电常数介质内部表现出减弱趋势的原因造成的。这种选择性致裂的特征，也为等离子体在矿物优选、电路板稀有金属剥离等方面的应用提供了依据。

与空气环境下直接进行等离子体击穿不同的是，由于液体和气体的混合，液电效应会发生水楔效应和空化作用。水楔效应能够在一定程度上使煤体裂隙强度因子降低，内部裂隙增大。同时，冲击波穿过固—液界面时速度会发生变化，从而在煤体表面和内部产生应力集中、煤体破裂，制造更多的裂隙。空化作用是指冲击波传播过程中，在空化崩溃的瞬时产生的局部高温高压现象。由于在煤层中本就存在着大量的空化核，空化作用能够将大量气核汇集、形成大气泡，从而减少气核对煤层裂隙尤其是微裂隙的封堵，减小煤层瓦斯运移的阻力，空化作用形成的高温高压能够形成周期性振动，降低煤体强度。

3.3.3 应用方式区别

目前，基于等离子体致裂固体基本原理的试验研究和工程应用方案已取得一定进展和成效，其中大多数集中于石油增产、煤层增透、页岩致裂等领域。对比电破碎和液电效应2种破碎方式的应用技术可以发现：电破碎方式中电极与固体直接接触，由于作业过程中会形成电火花，所以必须采取必要的措施防止引爆瓦斯等危险物质，可以采取将钻孔密封的方式降低孔内氧气含量，从而避免等离子体击穿过程中引发危险事故；液电效应致裂技术需保证电极始终处于水中，在应用时由于目标固体本身裂隙会造成水向裂隙渗透，从而造成钻孔中水量减少，势必会影响等离子击穿的作用效果，因此要实时补充钻孔中的水量，这是决定最终应用效果的关键。

4 等离子体致裂增渗应用研究

4.1 等离子体对煤体渗透率的影响规律

基于在煤岩导电与介电领域多年来的研究成果，研发了三轴加载条件下煤岩等离子体致裂增渗一体化实验系统，如图10所示。该实验系统的创新之处在于：可实现原位条件下煤岩体的等离子体致裂与渗透性效果考察，避免了现有文献中涉及的加载和卸载对煤体造成的二次损伤，能够对等离子体致裂煤体的渗透性进行定量评价，为该技术在低渗透煤岩增渗领域的应用提供更加准确的理论支撑。该系统主要由6个模块组成：上位机控制模块、充电与储能模块、限流保护模块、放电模块、监测模块、三轴加载模块。实验系统额定输出电压50 kV，储能模块则由3个8 μF的电容并联组成，理论上能够对负载施加的最大能量为30 kJ。其中，三轴加载模块主要用于模拟煤岩真实的受载情况，设计最大轴压值25 MPa，最大围压15 MPa。

图10 受载煤岩等离子体致裂增渗一体化实验系统

笔者基于上述实验系统，以陕西神木煤矿(SM)和陕西黄陵煤矿(HL)烟煤为试样，研究了等离子体对煤体渗透率的影响规律，发现击穿前煤体的渗透率数量级仅为10-17m2，而击穿煤体内部的裂隙后其渗透率达到10-15m2，煤样的渗透率增加了几十至数百倍，如图11所示，说明等离子体极大地改善了煤体内部的渗流通道。另外，结合CT扫描和三维重构软件(Avizo)对击穿前后同一煤样进行了三维重构，通过球杆模型提取了击穿前后煤体内部的连通性孔裂隙结构，并基于此对孔裂隙结构内流体的运移轨迹进行了可视化模拟，研究发现等离子体击穿后形成的裂隙对流体的运移产生了非常明显的诱导作用[47]。

(a)陕西神木煤矿(SM)煤样

4.2 等离子体致裂煤岩应用研究

沿面击穿和内部击穿与煤体本身的电学性质、力学性质，以及环境的温度、湿度等因素密切相关[48]。通过向煤体中注入离子溶液，可以增强其导电性、改变导电方式，大幅度降低单位长度煤体所需的击穿场强[49]。作为一种非均质性极强、富矿的多孔介质材料，煤岩体内部的矿物成分、基质、空隙内的气体等都会对电场表现出不同的响应特征，具体表现为：电场强度在介电常数较大的物质内部表现出降低的趋势，在介电常数较小的物质内部表现出增高的趋势，说明等离子体在介电常数差异较大的不同物质分界面处会产生电场畸变，从而造成等离子体在对煤体进行致裂时存在剥离的行为特征[20]。

章志成[50]基于岩石孔隙率的特征研究了大理石、花岗岩、黄沙岩等不同孔隙率岩体的平均击穿场强，发现孔隙率越大的岩体越容易形成等离子体通道；付荣耀等[16]研究发现高压电脉冲击穿后可在坚硬页岩内部留下长度约为0.32 m的裂隙，其缝隙表面粗糙度约为0.430～1.075 mm，具有一定的导流能力；李昌平等[51]分析了等离子体技术在破岩钻井领域的应用现状，指出当钻井到达一定深度后，等离子体破岩技术在面临较高的温度、压力等更为严峻环境时比传统的机械破岩更加具有优势。

5 结论与发展趋势

5.1 主要结论

对电破碎和液电效应2种作用方式下的等离子体致裂煤岩研究成果进行了系统的回顾，并总结了笔者所在团队多年来的研究进展，取得的主要结论如下：

1)无论是电破碎还是液电效应，对低渗透煤岩储层的孔—裂隙结构均具有显著的改善效果，尤其以中、大孔及裂隙结构的改善效果最为明显，这对于瓦斯抽采是非常有帮助的，以物理放电为基础的等离子体在化石能源开采领域的应用前景广阔。

2)等离子体本身携带的巨大热能作用在煤体上，会在极短的时间内使等离子体通道接触到的煤体发生氧化反应，从而改变其官能团及分子结构，一定程度上会降低煤体对瓦斯的吸附能力，但这种影响仅限于等离子体通道接触的煤体，其作用范围有限。

3)等离子体所形成的裂隙通道极大改善了瓦斯的渗流能力，以电破碎为例，原位条件下等离子体击穿煤体的渗透率增长达到了几十至数百倍，且等离子体击穿煤体形成的相互贯通的裂隙网络对瓦斯流动产生了非常明显的诱导作用。

5.2 发展趋势

1)利用等离子体增透强化化石能源开采的研究目前还处于初步探索阶段，等离子体致裂煤岩机理研究尚不够丰富、细致，尤其是缺乏联合增透方式下(如等离子体增透与水力压裂)煤岩体的起裂、扩展及贯通机理的研究，需要更深入研究等离子体致裂煤岩内瓦斯气体的流动特征。

2)针对等离子体放电重复性强的特点，可以对单点进行重复放电，实现对坚硬煤岩的致裂增透，较好地解决深孔爆破无法重复操作的局限。鉴于此，提出将等离子体水中放电技术应用在采空区老顶的放顶领域，通过单点多次、分段式的放电方式，对采空区老顶的坚硬岩石进行致裂，使其疲劳损伤，直至垮落，从而通过人为的方法实现周期来压的可控。

3)目前，关于等离子体致裂煤岩的研究均建立在改善储层初始孔—裂隙结构的基础上，而大量的实验结果表明，无论是电破碎还是液电效应，对于硬度较大的原生结构岩石，直接采用等离子体致裂的方式，效果往往不理想。因此，结合其他致裂方式，将等离子体增透作为辅助增透技术实现煤岩体的二次增透，将会有效改善单一增透技术效果不理想的状况。如先进行水力压裂，在煤岩体内部形成主裂隙，再通过等离子体技术不断冲击主裂隙，使主裂隙周围形成相互贯通的次生裂隙。此外，通过等离子体的冲击作用还可以极大地缓解水力压裂残存的水分对煤岩体造成水锁效应。