微波辐射下页岩微结构的损伤特性与致裂效应

胡国忠^1,2，朱杰琦^1,2，朱健^1,2，孙超^1,2，杨南^1,2，秦伟³

1. 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室2. 中国矿业大学矿业工程学院3. 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室

摘 要：微波增产技术以其特有的加热特性、能源转换效率高和环保性,被认为是一种极具发展前景的页岩气开发新方法。为探索页岩气储层微波致裂改造的可行性与实效性,利用自主研制的微波辐射实验装置,开展了不同微波参量条件下页岩微波致裂实验;采用超声波法测定了微波辐射前、后页岩样的P波速度,研究了微波辐射下页岩微结构的损伤特性与破裂特征,初步探索了页岩微波致裂机制。结果表明:①微波辐射下页岩温度快速升高且呈非均匀性分布,微波功率越大,非均匀性越强。②微波辐射下页岩微结构损伤程度与微波功率、辐射次数、能量施加顺序以及页岩含水情况等因素相关。③相同微波能量作用下,完全饱水页岩的微结构数量增幅比干燥页岩要大。④页岩微结构演化存在微波能量阈值现象;相同微波能量作用下,随着辐射次数的增加,页岩微结构数量呈现"大幅增加→轻微增加→小幅增加"的趋势;相同辐射时间条件下,页岩微结构数量随着微波功率的递增总体上呈"轻微增加→大幅增加→小幅增加"的趋势,而其随着微波功率的递减则呈线性函数增加。⑤微波总能量小于120 kJ时,从小到大的能量施加顺序更有利于页岩微结构发育;微波总能量达到180 kJ时,页岩微结构发育对能量施加顺序不敏感。研究表明,微波辐射下页岩内所产生的热应力与蒸气压的共同作用,能使页岩内矿物晶体断裂、刚性矿物颗粒及颗粒界面产生微裂缝,引起页岩表面宏观裂缝发育,呈现显著的致裂效应,从而有利于提高页岩气储层渗透性。

关键词：页岩气增产;微波致裂;页岩;微结构;热应力;