胡國(guó)忠，朱杰琦，朱 健，孫 超，楊 南，秦 偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

頁(yè)巖氣是指以吸附或游離狀態(tài)為主、賦存于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖地層中的一種非常規(guī)天然氣[1-2]。隨著水平井鉆井技術(shù)和縫網(wǎng)壓裂技術(shù)的突破，美國(guó)頁(yè)巖氣商業(yè)化開發(fā)取得成功，改變了世界能源格局[3-4]。為此，頁(yè)巖氣已成為全球各國(guó)重點(diǎn)勘探開發(fā)的戰(zhàn)略資源。目前，水力壓裂改造是頁(yè)巖氣增產(chǎn)的主要方法，然而該方法存在耗水量大、誘發(fā)地震、傷害儲(chǔ)層和污染地下水等問題，限制了頁(yè)巖氣的大規(guī)模開發(fā)[5-8]。近年來，微波技術(shù)以其特有的加熱特性在稠油、地下油頁(yè)巖、致密砂巖氣和煤層氣等資源開發(fā)領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的非常規(guī)油氣開發(fā)新方法[9-16]。

在微波輻射下，頁(yè)巖氣藏作為一種電介質(zhì)，能夠吸收微波能而產(chǎn)生急速熱效應(yīng)，快速提高儲(chǔ)層溫度[13,17-18]。由于頁(yè)巖內(nèi)不同礦物(黏土、石英、方解石等[1-2])對(duì)微波的吸收能力各不相同，使之形成明顯的局部溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)力、引起頁(yè)巖內(nèi)水分汽化而產(chǎn)生蒸氣壓。當(dāng)頁(yè)巖的熱應(yīng)力與蒸氣壓超過造巖礦物或膠結(jié)物的強(qiáng)度極限時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)損傷[13]，從而有利于提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透性。因此，揭示微波輻射下頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)的損傷特性和宏觀裂縫發(fā)展規(guī)律是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微波致裂效果的基礎(chǔ)。

關(guān)于微波輻射對(duì)儲(chǔ)層巖石微結(jié)構(gòu)的影響，學(xué)者們開展了一些理論分析和實(shí)驗(yàn)探索。KUMER等[19]研究發(fā)現(xiàn)，微波輻射后煤樣裂隙體積大幅增加、宏觀裂縫多沿著節(jié)理面發(fā)育。李皋等[20]研究微波加熱砂巖儲(chǔ)集層發(fā)現(xiàn)，砂巖產(chǎn)生的微裂縫具有非定向的特征。WANG等[21]研究了微波輻射前后致密砂巖的孔隙率、滲透率以及孔隙結(jié)構(gòu)的變化。胡國(guó)忠等[13-16]研究發(fā)現(xiàn)，微波輻射后煤樣的微結(jié)構(gòu)數(shù)量、尺度和連通性增加，煤樣滲透率顯著增大;同時(shí)，采用核磁共振定量表征方法研究了微波致裂前后頁(yè)巖孔隙的發(fā)育情況，結(jié)果表明微波輻射后頁(yè)巖的中孔和大孔所占的比例大幅增加、而小孔略有減少，頁(yè)巖的孔隙率大幅增加。綜上所述，已有研究大部分限于煤和砂巖，對(duì)于微波輻射下頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)的損傷特性以及微波參量與頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)演化特征、頁(yè)巖宏觀裂縫發(fā)育之間的變化關(guān)系卻少有報(bào)道。因此，筆者以頁(yè)巖氣儲(chǔ)層露頭巖石為研究對(duì)象，研究不同的微波參量和含水飽和度等條件下微波輻射對(duì)頁(yè)巖的P波速度和宏觀裂縫的影響規(guī)律，從而分析微波輻射下頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)的損傷演化特征和致裂效應(yīng)，為探索頁(yè)巖氣微波增產(chǎn)技術(shù)的工藝參數(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)損傷的定量表征

在一定環(huán)境應(yīng)力作用下，巖石內(nèi)部存在的孔隙、微裂紋等微結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致微應(yīng)力集中，使得原生孔隙或裂紋發(fā)生位錯(cuò)，造成巖石的彈性模量、屈服應(yīng)力、密度和速度等參數(shù)發(fā)生變化[22]。大量研究表明[22-24]，巖石微結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)巖石P波速度等彈性參數(shù)產(chǎn)生影響，即巖石的P波速度對(duì)巖石微結(jié)構(gòu)變化非常敏感，巖石P波速度的變化可以反映巖石內(nèi)部孔裂隙結(jié)構(gòu)的變化情況。因此，對(duì)于同一類巖石，在巖石的礦物成分和熱力學(xué)環(huán)境等其他外界條件相同的前提下，可以從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度采用巖石的P波速度變化間接反演巖石微結(jié)構(gòu)數(shù)量的整體變化，這也是現(xiàn)有技術(shù)難以直接定量測(cè)定巖石微結(jié)構(gòu)的情況下切實(shí)可行的方法之一[25]。根據(jù)已有文獻(xiàn)研究成果[22-25]，微波輻射下頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)損傷可定量表征為

(1)

式中，Dm為微波輻射后巖樣微結(jié)構(gòu)累積損傷因子;Vpi為第i次微波輻射后巖樣的P波速度，m/s;Vp0為初始狀態(tài)時(shí)巖樣的P波速度，m/s。

1.2 試樣制備

本次試驗(yàn)所用巖樣取自重慶市黔江區(qū)的下志留統(tǒng)龍馬溪組露頭頁(yè)巖。按照標(biāo)準(zhǔn)巖樣的制作要求，采用取芯鉆機(jī)將從現(xiàn)場(chǎng)取回的巖塊加工成圓柱體巖樣(直徑25 mm、高度50 mm)，巖樣鉆取均垂直層理面。巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 頁(yè)巖樣的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical parameters of shale samples

1.3 微波致裂試驗(yàn)

頁(yè)巖的微波致裂試驗(yàn)是在自主研制的微波輻射實(shí)驗(yàn)裝置[13-16](圖1)上進(jìn)行，該試驗(yàn)裝置主要包括微波發(fā)生器、巖樣罐、微波波導(dǎo)、風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng);其中，微波頻率為2 450 MHz，功率為0～2 kW，巖樣罐可放置最高為100 mm的巖樣。在試驗(yàn)過程中，通過智能控制系統(tǒng)調(diào)整微波功率P和輻射時(shí)間t便可產(chǎn)生不同大小的微波能量。根據(jù)能量定理，在忽略巖樣罐能量耗散的條件下，作用在頁(yè)巖樣上的微波能量W可表示為

圖1 微波輻射實(shí)驗(yàn)裝置以及試驗(yàn)流程Fig.1 Microwave irradiation device and test procedure

W=Pt

(2)

式中，P為微波功率，kW;t為微波輻射時(shí)間，s。

1.4 P波速度測(cè)試

本次試驗(yàn)采用C61非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試頁(yè)巖樣的P波速度，超聲波檢測(cè)儀的輸出頻率為5～500 kHz，聲時(shí)測(cè)讀精度為±0.05 μs，幅度分辨率為39%，采樣周期為0.05～6.40 μs，發(fā)射電壓為65 V。每次巖樣的P波速度測(cè)試均在沿試件圓柱方向上進(jìn)行，測(cè)試過程中記錄聲波通過巖樣的時(shí)間差Δt，則P波速度可表示為

(3)

式中，L為試樣高度;Δt=t1-t0，t0為超聲波檢測(cè)儀的發(fā)射探頭發(fā)射的時(shí)刻,t1為接收探頭接收到聲波的時(shí)刻。

1.5 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分為5組，N組與S組試驗(yàn)對(duì)比研究不同含水飽和度條件下頁(yè)巖樣的微波致裂效果，而P組、T組與L組試驗(yàn)則分別研究微波功率、輻射次數(shù)和微波能量施加順序?qū)?yè)巖樣致裂效果的影響。其中，T組巖樣在相同的微波能量(2 kW，30 s)條件下被輻射5次;而對(duì)P組巖樣按照0.4,0.8,1.2,1.6,2.0 kW功率的順序依次施加微波輻射，每次輻射時(shí)間30 s;L組巖樣的微波能量施加順序則與P組相反，詳見表2。

表2 微波輻射施加方案Table 2 Scheme of microwave radiation on shale samples

1.6 試驗(yàn)步驟

(1)將制備好的頁(yè)巖樣置入真空干燥箱中，并在60 ℃的環(huán)境下烘干72 h。待頁(yè)巖樣烘干后，采用超聲波檢測(cè)儀對(duì)所有頁(yè)巖樣進(jìn)行測(cè)試，得到微波輻射前頁(yè)巖樣的P波速度。然后，根據(jù)試驗(yàn)方案要求，對(duì)部分頁(yè)巖樣進(jìn)行真空飽和水處理。

(2)將頁(yè)巖樣放入微波輻射實(shí)驗(yàn)裝置的巖樣罐中，并將其與微波波導(dǎo)連接固定;而后，在智能控制系統(tǒng)中按照試驗(yàn)方案設(shè)置對(duì)應(yīng)的微波參量。

(3)打開風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)，然后啟動(dòng)微波發(fā)生器，開始頁(yè)巖樣的微波致裂試驗(yàn);待試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉微波發(fā)生器，取出頁(yè)巖樣并測(cè)試微波輻射后頁(yè)巖樣的表面溫度，觀測(cè)巖樣表面裂隙變化情況。

(4)待微波輻射后的頁(yè)巖樣在自然條件下冷卻至室溫后，再次測(cè)試頁(yè)巖樣的P波速度。

2 結(jié)果與討論

2.1 頁(yè)巖的升溫特性

在微波輻射作用下，頁(yè)巖作為一種典型的電介質(zhì)，能夠吸收微波并產(chǎn)生電磁輻射熱效應(yīng)，提高頁(yè)巖樣的溫度。以P-3巖樣為例(圖2)，由于頁(yè)巖樣礦物成分的非均質(zhì)性[13]，使得頁(yè)巖樣各個(gè)位置的升溫速率存在差異，造成微波輻射后頁(yè)巖樣的溫度分布呈現(xiàn)非均勻狀態(tài)。由圖2可知，無論作用在頁(yè)巖樣上的微波能量多大，總體上微波輻射后P-3巖樣中下部位置的溫度比其他部位要高;隨著微波能量的增大，P-3巖樣的表面平均溫度和表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差均逐漸提高。這表明微波能量越大，頁(yè)巖樣表面的升溫區(qū)域越大、表面溫度差異越顯著，從而有利于頁(yè)巖樣大范圍區(qū)域產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，造成更大程度的頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)損傷。

圖2 微波輻射后P-3巖樣的表面溫度分布及其標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律Fig.2 Variation of average surface temperature and its standard deviation of P-3 shale samples after microwave irradiation

2.2 頁(yè)巖的P波速度與微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

P波速度是衡量巖石損傷程度的有效方法。對(duì)于同一個(gè)巖樣，P波速度大小主要受巖樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的影響。巖樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)越發(fā)育，波速則越小。

2.2.1含水飽和度的影響

圖3為微波輻射前后干燥頁(yè)巖樣和完全飽和水頁(yè)巖樣的P波速度及微結(jié)構(gòu)累積損傷因子Dm的變化情況。由圖3可知，在微波輻射作用下，干燥頁(yè)巖樣的P波速度由初始的3 842.55～4 090.98 m/s下降到3 721.65～3 987.97 m/s，巖樣波速的平均降幅達(dá)3.23%，最高達(dá)到7.89%;而對(duì)于完全飽和水頁(yè)巖樣，微波輻射后其P波速度則由飽和水前初始的4 293.59～4 382.84 m/s減少到3 665.48～3 981.10 m/s，波速的平均降幅達(dá)11.31%，最高達(dá)到27.11%。另外，從頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)累積損傷因子來看，微波輻射后完全飽和水頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)累積損傷因子大約為干燥巖樣的3倍左右。值得說明的是，對(duì)于完全飽和水頁(yè)巖樣，雖然微波輻射會(huì)引起巖樣內(nèi)部分水分蒸發(fā)，但巖樣內(nèi)殘存的少量水分仍會(huì)使巖樣的P波速度增大，故微波輻射誘導(dǎo)的巖樣P波速度降幅以及微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的實(shí)際值要比測(cè)試結(jié)果更大。

圖3 微波輻射前后不同含水飽和度巖樣的P波速度及微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化規(guī)律Fig.3 Change of P-wave velocity and accumulated microstr-ucture damage factor of shale with different water saturation before and after microwave irradiation

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在微波輻射作用下完全飽和水頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)數(shù)量增加幅度遠(yuǎn)大于干燥頁(yè)巖樣。對(duì)于完全飽和水巖樣而言，巖樣中的水分作為一種強(qiáng)極性物質(zhì)，提高了巖樣的介電常數(shù)，使得巖樣的微波吸收能力增強(qiáng)。一方面，在微波輻射下，飽水頁(yè)巖樣的溫度快速升高，巖樣孔隙內(nèi)的部分水分將產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，并在孔隙內(nèi)形成蒸氣壓，從而對(duì)頁(yè)巖原生孔裂隙產(chǎn)生劈裂作用;另一方面，由于頁(yè)巖內(nèi)礦物顆粒的不均勻分布，使得頁(yè)巖樣局部出現(xiàn)較大的溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力集中，當(dāng)頁(yè)巖樣內(nèi)部的蒸氣壓與頁(yè)巖基質(zhì)非均勻膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于頁(yè)巖基質(zhì)的極限強(qiáng)度時(shí)，頁(yè)巖將產(chǎn)生破壞，使得頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)數(shù)量增加。由此可見，微波輻射下頁(yè)巖中的水分更有利于頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)發(fā)育，從而提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透性。

2.2.2微波輻射次數(shù)的影響

圖4為T組頁(yè)巖樣的P波速度、微結(jié)構(gòu)累積損傷因子隨著微波輻射次數(shù)增加的變化規(guī)律。由圖4可以看出，由于巖樣的個(gè)體差異性，微波輻射后每個(gè)巖樣的P波速度的變化程度不盡相同，但各巖樣的總體變化趨勢(shì)是一致的。隨著微波輻射次數(shù)的增加，各巖樣P波速度均有一定程度減小，總體呈現(xiàn)“急速減小→趨于平緩→緩慢減小”的變化趨勢(shì)。而對(duì)應(yīng)的T組巖樣微結(jié)構(gòu)累積損傷因子，隨著微波輻射次數(shù)的增加，則呈現(xiàn)“大幅增加→輕微增加→小幅增加”的趨勢(shì)。由此可見，隨著微波輻射次數(shù)的增加，頁(yè)巖樣經(jīng)歷了數(shù)次的熱沖擊過程，頁(yè)巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)損傷逐漸累加，使得頁(yè)巖樣波速逐漸降低、微結(jié)構(gòu)累積損傷因子逐漸增大，但頁(yè)巖樣波速和微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的單次變化量逐漸減小。

圖4 頁(yè)巖樣的P波速度、微結(jié)構(gòu)累積損傷因子與微波輻射次數(shù)的變化關(guān)系Fig.4 Change of P-wave velocity and accumulated microstructure damage factor of shale with microwave irradiation times

在T組頁(yè)巖樣微波致裂實(shí)驗(yàn)過程中，雖然每次微波輻射后頁(yè)巖樣所經(jīng)受的累計(jì)微波能量逐漸增大，但是在此過程中微波致裂引起的頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)損傷并未呈線性增加。當(dāng)施加第3次微波輻射后，巖樣的波速下降趨勢(shì)和微結(jié)構(gòu)累積損傷因子增大趨勢(shì)逐漸變緩，這表明在此大小的微波能量作用下頁(yè)巖樣內(nèi)部微結(jié)構(gòu)不再持續(xù)顯著發(fā)育，此時(shí)微波能量的累積效應(yīng)不明顯;當(dāng)施加第5次微波輻射后，巖樣的波速和微結(jié)構(gòu)累積損傷因子則再次小幅增加。由此可見，微波輻射下各個(gè)頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)演化雖存在較小差異，但均呈現(xiàn)顯著的微波能量閾值現(xiàn)象。因此，在頁(yè)巖氣微波激勵(lì)增產(chǎn)實(shí)踐中，如要使頁(yè)巖氣儲(chǔ)層獲得一定數(shù)量的孔隙擴(kuò)展與裂隙發(fā)育，對(duì)其施加的微波能量就必然要大于對(duì)應(yīng)的能量閾值。

2.2.3微波功率的影響

圖5為在依次施加0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 kW微波能量條件下P組頁(yè)巖樣的P波速度與微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化規(guī)律。由圖5(a)可知，隨著微波功率的增加，頁(yè)巖樣的P波速度逐漸降低。當(dāng)微波功率為0.4 kW時(shí)，此時(shí)的微波能量?jī)H能克服部分弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)(圖6)的膠結(jié)力而使之產(chǎn)生微裂隙，使得頁(yè)巖樣P波速度降幅較小。隨著微波功率的增大，此時(shí)的微波能量能夠克服大部分弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)與部分強(qiáng)膠結(jié)結(jié)構(gòu)(圖6)的膠結(jié)力，使之逐步產(chǎn)生斷裂并發(fā)育微裂縫，則頁(yè)巖樣的P波速度開始快速降低。當(dāng)微波功率提高至1.2～1.6 kW時(shí)，原生的弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面和部分強(qiáng)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面的破壞和裂隙發(fā)育逐漸完成，雖然此時(shí)微波能量更大但其需克服的干酪根基質(zhì)的膠結(jié)強(qiáng)度也更高，此時(shí)僅能使部分強(qiáng)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生持續(xù)的裂隙發(fā)育和擴(kuò)展，造成此時(shí)頁(yè)巖樣的P波速度降幅又有輕微浮動(dòng)。

圖5 頁(yè)巖樣的P波速度、微結(jié)構(gòu)累積損傷因子與微波功率的變化關(guān)系Fig.5 Change of P-wave velocity and accumulated micros-tructure damage factor of shale with microwave power

圖6 頁(yè)巖基質(zhì)模型Fig.6 Model on shale matrix

同時(shí)，P組頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化趨勢(shì)與其P波速度相類似，大體上呈“輕微增加→大幅增加→小幅增加”的變化趨勢(shì)。由于P組頁(yè)巖樣每次施加的微波能量依次增大，巖樣的P波速度與微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化趨勢(shì)與圖4中單次施加能量相同的情況有所不同。

2.2.4微波能量施加順序的影響

為了對(duì)比微波能量施加順序?qū)?yè)巖致裂效果的影響，對(duì)L組頁(yè)巖樣按微波功率從大到小的順序依次實(shí)施了微波輻射，其P波速度與微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化如圖7所示。通過對(duì)比圖5可知，如按照從大到小順序施加微波能量時(shí)，由于初次施加的微波能量較高，巖樣內(nèi)溫差更大，造成頁(yè)巖樣局部熱應(yīng)力集中更顯著，從而使其礦物顆?；虻V物界面的膠結(jié)結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致其波速降幅更大。隨著微波能量的持續(xù)施加，頁(yè)巖內(nèi)不斷產(chǎn)生新的微裂縫與裂隙擴(kuò)展，使得頁(yè)巖樣的波速總體上呈線性函數(shù)減小。對(duì)應(yīng)的頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)累積損傷因子變化曲線也以較大的斜率不斷增加，說明巖樣微結(jié)構(gòu)數(shù)量持續(xù)快速增加，且呈線性函數(shù)的變化趨勢(shì)。

圖7 微波能量從大到小順序施加條件下頁(yè)巖P波速度與微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化規(guī)律Fig.7 Change of P-wave velocity and accumulated microstru-cture damage factor of shale under microwave energy by a sequence from large to small

相較于圖5中從小到大的能量施加順序，當(dāng)按照從大到小順序施加微波能量時(shí)，頁(yè)巖樣的P波速度和微結(jié)構(gòu)累積損傷因子的變化速率更為均勻，其階段性變化不顯著。然而，當(dāng)微波總能量相同且小于120 kJ的條件下，P組頁(yè)巖樣的累計(jì)微結(jié)構(gòu)累積損傷因子比L組頁(yè)巖樣均要大;而當(dāng)微波總能量達(dá)到180 kJ時(shí)，兩組頁(yè)巖樣的累計(jì)微結(jié)構(gòu)累積損傷因子相差不大。由此可見，頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)演化存在一定的微波能量閾值，且當(dāng)微波能量小于該閾值時(shí)，頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)發(fā)育對(duì)能量施加順序則很敏感。

另外，由圖5(b)和圖7(b)可知，在同樣的微波輻射時(shí)間條件下，微波功率越大，頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)累積損傷因子越大，即巖樣的微結(jié)構(gòu)更加發(fā)育。由此可見，在頁(yè)巖氣微波增產(chǎn)工程實(shí)踐中，一方面可通過提高微波功率來快速改善頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透性，以提高頁(yè)巖氣單位時(shí)間產(chǎn)量;另一方面，在保證頁(yè)巖氣儲(chǔ)層增滲效果的前提下，可通過調(diào)整微波能量的施加順序來降低頁(yè)巖氣開采的能耗。

2.3 微波輻射下頁(yè)巖表面裂隙的演化特征

2.3.1相同微波能量逐次施加

在T組頁(yè)巖樣的實(shí)驗(yàn)(單次施加60 kJ的微波能量)中，隨著輻射次數(shù)的不斷增加，巖樣表面逐漸發(fā)育裂縫，例如在第1次微波輻射后T-1巖樣表面便出現(xiàn)了小裂縫(圖8(a)中的標(biāo)記1);T-3頁(yè)巖樣則在第3次微波輻射后發(fā)育1條長(zhǎng)裂縫(圖8(b)中的標(biāo)記2)，但在后續(xù)的微波輻射中該巖樣均沒有新裂隙生成。這與2.2節(jié)中頁(yè)巖樣P波速度與微結(jié)構(gòu)演化所存在的微波能量閾值現(xiàn)象是一致的。

圖8 微波輻射后頁(yè)巖樣表面裂隙發(fā)育Fig.8 Surface cracks of shale samples after microwave irradiation

2.3.2微波能量逐次遞變施加

對(duì)于P組頁(yè)巖樣，單次施加能量依次為12,24,36,48,60 kJ。以P-1頁(yè)巖樣為例，前2次微波輻射后，巖樣內(nèi)部原生的弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)面或強(qiáng)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面在較低的微波能量作用下產(chǎn)生微裂縫，其表面未出現(xiàn)明顯裂縫;在施加第3次微波能量后，巖樣內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過了原生的強(qiáng)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面或干酪根基質(zhì)的強(qiáng)度極限，使得巖樣內(nèi)部的微裂縫相互貫通進(jìn)而形成宏觀裂紋(圖8(c)中的標(biāo)記3)，而這與其P波速度顯著降低、微結(jié)構(gòu)累積損傷因子大幅增加的變化趨勢(shì)是一致的;直到施加第5次微波能量后，頁(yè)巖樣內(nèi)部裂隙繼續(xù)發(fā)育，并產(chǎn)生了1條新的縱向裂隙(圖8(c)中的標(biāo)記4)。

而L組頁(yè)巖樣的微波能量施加順序則與P組相反。其中，L-2頁(yè)巖樣在第1次微波輻射后，其表面中部產(chǎn)生平行于節(jié)理面的明顯裂紋(圖8(d)中的標(biāo)記5)，且端部有小塊巖樣脫落(圖8(d)中的標(biāo)記6);L-3頁(yè)巖樣在第2次微波輻射后，其表面中部產(chǎn)生了1條橫向裂縫(圖8(e)中的標(biāo)記7)，在后續(xù)的微波輻射中，該巖樣再未產(chǎn)生新裂紋。

3 頁(yè)巖微波致裂機(jī)制

天然頁(yè)巖作為一種含有黏土礦物、石英、云母、方解石、鉀長(zhǎng)石、黃鐵礦、綠泥石、鈉長(zhǎng)石、水以及有機(jī)質(zhì)等多種礦物的巖石，屬于典型的電介質(zhì)[13-15]。在頁(yè)巖微波致裂實(shí)驗(yàn)中，微波會(huì)在頁(yè)巖樣中不斷傳播并產(chǎn)生高頻振蕩，引起頁(yè)巖樣中的水、黏土礦物以及有機(jī)質(zhì)等極性礦物分子與微波形成共振，造成礦物分子之間相互摩擦而產(chǎn)生急速熱效應(yīng)，從而提高頁(yè)巖樣的溫度。另外，微波能作為一種比通常的無線電波大得多的電磁輻射能，具有顯著的穿透性，能使頁(yè)巖樣內(nèi)外礦物顆粒均吸收微波而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外介質(zhì)同時(shí)升溫，表現(xiàn)為典型的體熱效應(yīng)。

由于頁(yè)巖中各造巖礦物的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和介電常數(shù)各不相同[13]，造成各礦物對(duì)微波的吸收能力各異，例如黃鐵礦和黏土礦物的吸波能力比石英、云母要好得多[26-27]。在微波輻射作用下，微波對(duì)頁(yè)巖樣中各造巖礦物進(jìn)行選擇性加熱，一方面，使得頁(yè)巖樣整體溫度提高，引起頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水或結(jié)合水的汽化而產(chǎn)生蒸氣壓;另一方面，造成頁(yè)巖樣內(nèi)各處升溫速率不同，頁(yè)巖基質(zhì)顆粒非均勻膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于微波輻射下頁(yè)巖樣升溫速率的快速性，頁(yè)巖基質(zhì)顆粒在較高的熱應(yīng)力加載速率下，易表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。當(dāng)這種蒸氣壓與熱應(yīng)力大于頁(yè)巖樣基質(zhì)顆?；蚰z結(jié)物的強(qiáng)度極限時(shí)，頁(yè)巖樣的含水礦物晶片發(fā)生斷裂、剛性顆粒內(nèi)部與顆粒界面之間產(chǎn)生大量微裂縫等現(xiàn)象(圖9)，進(jìn)而引起頁(yè)巖樣宏觀裂縫發(fā)育、甚至破壞(圖8)，呈現(xiàn)出微波對(duì)頁(yè)巖的致裂效應(yīng)。

圖9 微波輻射后頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)的SEM電鏡Fig.9 SEM image of shale microstructure after microwave irradiation

4 結(jié) 論

(1)在微波輻射下，頁(yè)巖的溫度快速升高且呈非均勻分布;微波功率越大，頁(yè)巖的升溫區(qū)域越大、表面溫度差異越顯著，從而有利于頁(yè)巖大范圍區(qū)域產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，加劇頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)損傷。

(2)相同的微波能量作用下，完全飽水頁(yè)巖和干燥頁(yè)巖的波速平均降幅分別為11.31%與3.23%，前者微結(jié)構(gòu)累積損傷因子大約為后者的3倍，表明微波輻射下頁(yè)巖中的水分有利于頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)發(fā)育。

(3)相同的微波能量作用下，不同頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)演化雖然存在一定的差異，但其均存在微波能量閾值現(xiàn)象;而且，隨著微波輻射次數(shù)的增加，頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)數(shù)量呈現(xiàn)“大幅增加→輕微增加→小幅增加”的變化趨勢(shì)。

(4)相同的輻射時(shí)間條件下，頁(yè)巖樣微結(jié)構(gòu)數(shù)量隨著微波功率的遞增呈“輕微增加→大幅增加→小幅增加”的趨勢(shì)，而隨著微波功率的遞減則總體上呈線性函數(shù)增加。

(5)在從大到小的微波能量施加順序條件下，頁(yè)巖樣的微結(jié)構(gòu)數(shù)量增幅相較于從小到大的施加順序更加均勻;當(dāng)微波總能量小于120 kJ時(shí)，從小到大的能量施加順序更有利于頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)發(fā)育;當(dāng)微波總能量達(dá)到180 kJ時(shí)，頁(yè)巖微結(jié)構(gòu)發(fā)育對(duì)微波能量施加順序則不敏感。

(6)微波輻射下頁(yè)巖基質(zhì)內(nèi)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力與蒸氣壓的共同作用，使得頁(yè)巖內(nèi)礦物晶體斷裂、剛性顆粒及顆粒界面產(chǎn)生微裂縫，引起頁(yè)巖宏觀裂縫發(fā)育，呈現(xiàn)微波對(duì)頁(yè)巖的致裂效應(yīng)，從而有利于提高頁(yè)巖氣儲(chǔ)層滲透性。