微波辐射煤体孔裂隙结构与渗流特性

张永利，刘 婷，马玉林，尚文龙

（辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

中国煤层气资源丰富，随着经济的发展，煤层气抽采利用率逐步提升，但较发达国家差距明显[1].国内外研究人员通过开展不同技术手段，尝试改变煤储层渗透性，提高单井产气量[2-4].采用普适开发技术提高储层渗流特性是提高煤层气开发的关键.目前已有的增透技术均有局限[5]，选取一种适用性更好的技术很有必要.

近年来，微波技术被逐步应用到煤层气增透促产中.研究表明，微波辐射诱使煤层温度不断升高，在煤层内部造成局部热应力，促进孔隙-裂隙结构的发育发展[6-8].在微波辐射作用下，煤层中介电常数高的物质大量吸收微波的电磁能并将其转化为热能[9-10].GUANG X等[11]研究发现试样的介电常数和水饱和程度直接影响微波加热煤体的致裂效果.李贺等[12]研究发现微波对煤体的孔隙结构影响明显并产生热应力促使煤层中形成新的裂隙，HASSANI F 等[13]研究发现微波辐射对岩石温度分布和强度变化的影响特征，裂缝密度随微波作用深度的增加而减小，微波功率水平对岩石表面热损伤量有较强的正向影响，从而实现煤层渗透率的提高.综上可见，煤体内部孔裂隙结构对渗流特性影响极大.

本文利用扫描电子显微镜（SEM）对辽宁省阜新市五龙煤矿试样从水平与竖直层理进行微观形貌分析，探讨微波作用前、后煤体的微观孔裂隙结构演化规律，结合不同功率微波及环境应力作用下宏观渗流实验，对比研究微观结构与宏观渗透率之间的联系，提出结构响应系数，修正煤层气渗流经典方程，对煤层微波增透技术的完善有一定参考价值.

1.1 实验设备

采用型号为Quanta250的扫描电子显微镜（SEM）对试件进行形貌观察，仪器放大倍数为30～300000，样品台移动范围X=Y=50 mm. 为保证煤试件原始形貌，不对试件进行喷金等处理，选择合理HV和spot数值确保图像清晰度.

1.2 实验样品

原煤试样取自辽宁省阜新市五龙煤矿，根据煤样原生层理沉积结构的不同，在水平层理方向和垂直层理方向各取4个Ф12 mm的圆柱形试件，见图1.

图1 实验样品Fig.1 test sample

1.3 实验步骤

（1）对原煤（辐射前）试件微观孔裂隙结构进行定点形貌观察，便于与不同微波条件作用后的扫描结果进行对比分析.

（2）利用常规微波辐射装置，分别选用微波功率500 W、1000 W、1500 W和2000 W对原煤试样进行辐射.初始作用时间选定1 min，辐照后对试件进行SEM测试，得到微波作用后煤样微观结构图像.

（3）调整微波辐照时间为1.5 min和3 min，重复步骤2.

（4）综合对比分析不同功率、不同微波辐射时间电镜照片，得到原煤试样微观结构断裂-损伤-发育状况.

2.1 水平层理煤体微观孔裂隙结构的SEM结果分析

水平层理试样受不同功率微波辐射前、后电镜照片见图2～图5，辐射时间分别为1 min、1.5 min、3 min.利用SEM自带标尺工具在图像上标出观测点A、观测点B和观测点C的裂隙宽度，通过对比不同功率及辐射时间条件下微波辐射前、后原煤试样对应位置的裂隙宽度，可得试样孔裂隙结构的变化情况.

图2 水平层理试样受500 W微波辐射前后的SEM图像Fig.2 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 500 W microwave

图3 水平层理试样受1000 W微波辐射前后的SEM图像Fig.3 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 1000 W microwave

图4 水平层理试样受1500 W微波辐射前后的SEM图像Fig.4 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 1500 W microwave

图5 水平层理试样受2000 W微波辐射前后的SEM图像Fig.5 SEM images of horizontal bedding samples before and after being radiated by 2000 W microwave

煤体微观孔裂隙结构受微波热辐射作用后均发生明显变化，且与辐射作用条件紧密相关，原煤试件上大量孔裂隙结构发生断裂和损伤，长度和宽度扩展发育明显.还有一部分试件，由于受到挤压和煤体骨架发生破坏或塌陷的影响，进而出现孔裂隙变少和渗透空间减少的情况.但是从整体来看，渗透空间总体是增加的，也说明断裂-损伤-发育仍然是主要现象.

一方面，煤体内所含的矿物种类不同，而微波对不同物质的影响是由介电常数等特性参数决定的，会直接影响对微波能量的吸收程度，微波加热过程的选择性导致试样中不同矿物质温升速度差异明显，另外煤体温度梯度大诱发热应力的产生，煤体结构发生断裂-损伤-发育演化过程；
另一方面，微波也会导致煤基质收缩，基质间的孔裂隙结构三维长度均增加，高微波吸收率的矿物质升温急剧增加，产生了快速脱水的现象，骨架结构受到挤压和收缩，甚至骨架支撑能力消失，使得煤体中孔裂隙空间出现联结、贯通和拓展.总结上述现象可以看出，微波热辐射作用对煤体同时产生扩孔和致裂作用，原生结构发生二次发育破坏，伴生新生结构，煤体内部结构的进一步发育直接导致原煤试样的孔隙度增加.不同功率微波辐射条件下，水平层理试样裂隙宽度随微波辐射时间变化情况见表1.

表1 水平层理试样裂隙宽度随微波辐射时间变化Tab.1 variation of crack width of horizontal bedding specimen with microwave radiation time

由表1可知，选取的3个观测点裂隙宽度均随着微波热辐射时间的延长而明显增长，并与微波功率相关，长度和宽度的增量随微波热辐射作用时间增长而增大. 裂隙宽度变化最大为500 W微波功率作用的观测点A，最大宽度增值为12.93 μm，增长率高达376.9%，对比SEM图像可见，这是因为在微波热辐射作用下，观测点A原本覆盖的大量填充矿物质发生明显脱落，同时煤基质局部因挤压和垮塌发生收缩，结构孔隙度突增，大量孔隙联通为较大裂隙.变化最小为1000 W微波功率作用的观测点A，最大宽度增值仅为1.035 μm，但增长率也达到了27.5%.特别的是，1000 W时观测点A、观测点B在0～1.5 min中均出现结构宽度缩小，对比SEM分析发现，微波作用下试样其他位置结构先期变化更明显，产生挤压应力，导致两观测点孔隙结构宽度缩小，但随着微波的持续作用，观测点处产生的扩展应力超越环境挤压应力，结构宽度反增.

综合对比发现：观测点裂隙宽度平均增量在微波功率为1000 W时达到1.002 μm，1500 W时为2.512 μm，2000 W时高达7.35 μm.由此可见，在不忽略其他因素作用情况下，原煤试样微观宽度增值与微波功率呈正相关，在一定范围内选用高功率微波对试样作用有利于最终致裂效果.

2.2 垂直层理煤体微观孔裂隙结构的SEM结果分析

微波辐射时间选取1 min、1.5 min和3 min，垂直层理煤体微观孔裂隙结构SEM照片见图6～图9.由图6～图9可知，同水平层理演化规律相似，微波作用对煤体扩孔致裂作用凸显，但对比于水平层理作用效果，煤体试样孔裂隙结构宽度增值在较低功率微波热辐射作用后增量偏低，当微波功率升高后，强热辐射直接促使煤体结构损伤破裂，孔隙和裂隙进一步拓宽，这是源于高功率微波增加电磁场的场强，电磁场场强越强，物质吸收微波的能量就越强.因此，在一定范围内选用高功率微波同样有利于垂直层理试样致裂.不同功率随微波辐射时间垂直层理试样宽度增值数据，见表2.

图6 垂直层理试样受500 W微波辐射前后的SEM图像Fig.6 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 500 W microwave

由表2可知，随着微波热辐射时间的延长，图7～图9中观测点A、观测点B、观测点C的裂隙宽度均明显产生不同程度的增长，宽度的增量随微波辐照时间增长而增大.图6中观测点A随微波作用时间延长基质上的矿物质附着物大量脱落消失，露出煤基质骨架观测点B、观测点C.但由于前期附着物覆盖过厚，无法准确标注尺寸变化，但依托微波的加热特性和电磁波的波动特性协同作用，众多堵塞试样表面孔隙和裂隙的粘附矿物质消失，结构发生联结-贯通-拓展，煤体渗流容积大幅提升，也将实现煤体孔隙度增加的结果.

图7 垂直层理试样受1000 W微波辐射前后的SEM图像Fig.7 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 1000 W microwave

图9 垂直层理试样受2000 W微波辐射前后的SEM图像Fig.9 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 2000 W microwave

表2 垂直层理试样裂隙宽度随微波辐射时间变化Tab.2 variation of crack width of vertical bedding specimen with microwave radiation time

裂缝宽度变化中，增值变化最大为2000 W微波作用的观测点A，最大宽度增值为12.365 μm，增长率高达207.6%，对比SEM图像可见，这是由于高功率微波致裂和填充矿物质全面脱落造成的.变化最小为2000 W微波作用的观测点C，最大宽度增值仅为0.66 μm，增长率为3.5%，这是由于观测点C为新生点，初始作用不明显.

图8 垂直层理试样受 1500 W微波辐射前后的SEM图像Fig.8 SEM images of vertical bedding samples before and after being irradiated by 1500 W microwave

综合对比分析不同条件微波热辐射作用前后水平层理试样和垂直层理试样结构的变化规律，结果表明：水平层理原煤试样双重介质结构断裂-损伤-发育过程更加明显，影响范围更大. 微观形貌表明：水平层理试样受微波热辐射作用反应明显，基质结构均发生了断裂和损伤，孔隙-裂隙长度和宽度扩展发育明显，同时大量新的孔裂隙结构伴生；
而垂直层理试样结构仅在高功率条件下发生拓展.这是由于微波对煤体结构的致裂扩展等二次发育影响效果主要源于煤体热应力，热应力受微波加热选择性影响，而热应力的分布与试样层理结构分布直接相关，垂直层理热应力贯穿能力较弱，因此对于不同原生层理沉积结构试样在微波热辐射作用后影响效果差距明显.

3.1 微波辐射作用下煤体增渗规律实验研究

为了深入研究不同功率、辐射时间微波作用下试样结构孔裂隙、渗透率、有效应力之间的关系，利用自行研制的微波辐射含瓦斯煤渗流实验系统（见图10），进行了不同耦合环境条件下试样渗透率测定实验.

图10 微波辐射含瓦斯煤渗流实验系统Fig.10 microwave radiation experiment system for gas-containing coal seepage

考虑煤岩的应力敏感性和基质收缩效应，根据前人研究成果，建立渗透率与有效应力和孔隙度间关系为

式中，K为试样渗透率，cm2；
K0为试样初始渗透率，cm2；
φ0为初始孔隙度，无量纲；
φ为孔隙度，无量纲；
σij为有效应力，MPa；
η为孔隙度转变系数；
x为材料参数，取3；
c为拟合参数.

实验采用Ф50 mm×100 mm原煤试件，在相同微波作用时间下改变微波功率，测定不同应力（围压及有效应力组合）环境试样渗透率变化规律，实验方案见表3.

表3 微波作用下煤体渗流实验方案Tab.3 mechanical parameters and phase change criteria of primitive

微波辐射作用下原煤试件渗流实验中，在微波辐射作用条件下，试样的宏观渗透率随有效应力变化而变化，在围压不变情况下，得到有效应力与渗透率的关系见图11.

图11 不同微波功率下渗透率与有效应力关系Fig.11 relationship between permeability and effective stress under different microwave power

由图11可知，曲线变化规律大致相同，煤体渗透率随有效应力的增加呈指数递减趋势.在有效应力不变的情况下，煤体的渗透率随微波功率的增加而增大.

对实验数据以式（2）进行拟合，R2均大于0.97，拟合度较高.

式中，K为因变量；
A、b为拟合参数；
σij为有效应力（自变量），MPa；
C为待定常数.

3.2 微波作用煤体微观结构变化与宏观增渗的关联

综合分析煤体微观孔裂隙结构受微波热辐射作用前后演化规律，结合不同功率微波及环境应力作用下宏观渗流实验，对比分析可知：煤体受微波热辐射作用后，其内部微观孔裂隙的原有结构受到破坏，发生断裂、损伤或发育等现象，这种破坏导致孔裂隙等微观尺寸的增加.微波的这种影响效果使原煤试样孔裂隙结构体积增加，煤样内部自由空间体积变大导致孔隙度增加.已知孔隙度的增加将增大渗透率（见式1），改善煤体渗透性；
宏观渗流实验中，在微波辐射作用影响下，通过数据结果可以明显地表明试件的绝对渗透率与微波热辐射时间、功率等相关参数之间有一定的关联性.经过数据统计和拟合后，数据间符合非线性正相关关系.由此可以得出，实验样品的渗透特性会随着微波热辐射相关因素的改变而发生变化.

为进一步确立渗透率与微波影响间的函数关系，从微观与宏观角度建立渗透率的力学模型，综合考虑有效应力和微波作用等各种影响因素，选取指数函数表征微波辐射作用对试样渗透率的影响，提出微波辐射作用煤岩结构响应系数，将经典方程修正为

式中，ς为微波辐射作用煤岩结构响应系数，无量纲.

综合分析微观和宏观实验，绘制功率与试样结构响应系数拟合曲线，见图12.对实验数据进行拟合（见表4），拟合方程中R2均大于0.96，拟合度较高.

图12 微波功率与试样结构响应系数拟合情况Fig.12 fitting of microwave power and sample structure response coefficient

表4 微波功率与试样结构响应系数拟合结果Tab.4 fitting results of microwave power and sample structure response coefficient

由图12可知，在不同围压条件下，微波辐射作用煤岩结构响应系数与微波功率呈正比关系.微波辐射作用煤岩结构响应系数ς与煤岩结构尺寸增量dΔ 以及环境应力直接相关，dΔ 则与微波热辐射时间t、微波功率P、煤体应力敏感性、煤岩矿物质组成和煤基质收缩特性等多种因素有关.根据量纲分析原理可知

式中，dΔ 为煤岩结构尺寸增量，μm；
Cm为基质收缩系数，无量纲；
Q为微波热辐射作用产生的热应力，MPa；
j为煤体层理结构面尺寸，m；
t为微波热辐射作用时间，min；
P为微波功率，W；
F为结构闭合力，kN；
C为常数.

通过分析微、宏观实验得到的数据，得到相应的力学规律：在原岩应力稳定和温度、应力等外界因素固定的情况下，微波热辐射产生的力学效应会对煤体内部微观的孔裂隙结构产生直接影响.ς增大将导致原煤试样的渗透率K增大，提升开采效率.

（1）微波辐照作用造成煤体微观孔裂隙结构发生损伤和发育，微波致裂的效果随微波作用时间的延长而更加明显，相同的辐照时间，在一定范围内微波的致裂、扩孔效果与微波功率呈正相关，水平层理试样微观结构损伤发育情况更加明显，裂缝宽度增值最大达到300%以上，结构损伤发育占主导地位.

（2）微波辐射时间一定，随微波功率的增加试样渗透率单调递增，在一定范围内随向煤体内部输入能量的增加微波增渗效果更加明显.

（3）定量化分析微波辐射作用对煤层渗透率的影响，在一定的应力环境条件下，改善微波热辐射参量，煤岩的渗透率增加.建立了微观结构与宏观渗透率增加之间的联系，通过引入微波辐射作用煤岩结构响应系数对经典方程进行了修正，拟合结果R2均大于0.96.