微波辅助氧化剂刺激技术在煤层气储层中的应用：对煤芯宏观裂缝发育及力学响应特性的实验室研究

《Fuel》：Microwave-assisted oxidant stimulation technology in coalbed methane reservoirs: Laboratory investigation of macroscopic fracture development and mechanical response characteristics of coal cores

提高煤层气（CBM）产率需调控煤体中开放裂隙和渗透裂缝的分布特征，微波辅助氧化通过热效应和化学氧化协同作用破坏煤体结构，扩大孔隙和裂缝体积。实验采用数字摄影与图像处理分析煤芯表面裂缝参数（长度、 aperture、分形维数），结合超声检测、单轴压缩及声发射技术验证煤体宏观裂隙扩展规律和力学响应，结果表明微波辅助氧化促进轴向和径向裂缝的形成与扩展，导致煤体弹性模量下降46.4%和抗压强度降低76.1%，为CBM商业化开发提供理论支撑。

　　

徐超平

教育部海洋能源利用与节能重点实验室，大连理工大学能源与动力工程学院，中国大连116024

摘要

为了提高煤层气（CBM）储层的产气能力，改变开放裂隙和渗透裂缝的丰富度、几何形状和分布至关重要。微波辅助氧化是一种可行的刺激方法，它通过介质加热和化学氧化的双重作用破坏煤的结构。这扩大了孔隙/裂缝的体积，增加了应力释放的空间。在这项研究中，20个烟煤岩芯在无围压条件下接受了不同的微波和氧化处理。我们采用多种技术方法系统地研究了处理后煤的宏观裂缝发育和力学响应：数字摄影和图像处理用于评估岩芯外表面（量化裂缝长度、开口度和分形维数），而岩芯端部的检查提供了关于裂缝分布的补充轴向数据。超声波测试进一步获取了煤降解的体积信息，其结果通过单轴压缩和声发射实验得到了验证。结果表明，微波辅助氧化促进了轴向和径向裂缝的形成、扩展、分叉和渗透。微波断裂与氧化侵蚀的耦合不仅诱导了内部孔隙和裂缝的持续扩展和渗透，还增强了煤的各向异性。循环微波辅助氧化引发了持续的松散和损伤，在煤压缩破坏过程中加剧了块体变形和滑动。因此，煤的弹性模量（E）和抗压强度（σ_f）分别降低了46.4%和76.1%。本研究为实施微波辅助氧化剂刺激以及选择CBM商业开发的可行策略提供了理论支持。

引言

煤是通过复杂的生物化学变化和地质过程，在漫长的岁月里从腐烂的植物中缓慢形成的，煤层气（CBM）也随之形成[[1], [2], [3]]。CBM的产气能力在很大程度上受煤储层中开放裂隙和渗透裂缝的丰富度、几何形状和分布的控制[4,5]。裂隙-节理系统是由煤中的开放孔隙和交叉裂缝组成的天然正交裂缝网络，构成了煤储层的原位渗透性[6,7]。因此，全面了解煤的宏观孔隙-裂缝结构对于制定成功的CBM勘探和开发策略至关重要。

国际经济的复苏、产业结构的升级以及对未来温室气体排放的控制需求不仅促进了CBM开发项目的商业化，也激发了工业界和学术界的兴趣[8]。开发CBM资源可以提供额外的清洁燃料，减少矿山生产事故，并改善区域环境[9,10]。预计在未来几十年内，CBM开发可能成为能源-经济-环境场景中的“最低成本”选择。为了提高CBM的提取效率和产量，通常使用多种刺激技术来破坏煤的结构，扩大孔隙/裂缝的尺寸，并增加应力释放的空间[11]。已经提出了许多创新的CBM储层刺激技术，如基质酸化[12]、液态N?/CO?压裂[13,14]、等离子体脉冲[15]和微生物增强[16]，但尚未有一种技术得到普遍成功应用。其中，液态N?/CO?压裂会在煤储层中创造低温环境，这不利于CBM的解吸[17,18]；等离子体脉冲过程复杂且能耗高[19]；基质酸化会污染煤储层并导致水锁效应[20]；微生物增强技术仍不成熟[21]。Jing等人研究了氧化剂对煤分子结构和孔隙特性的影响，得出结论认为NaClO氧化是提高渗透性的最有前景的方法[22]。NaClO可以氧化脂肪链和芳香环，腐蚀煤裂隙表面，并有潜力疏通孔隙/裂缝[23,24]。然而，氧化剂在常温和常压下的垂直渗透性较差，限制了它们的可行性[22,25]。已经证实，微波加热可以诱导新的裂缝形成并增大裂隙尺寸，从而导致煤的变形和损伤[26]。由于微波辐射具有非接触式、体积加热、高能量传递效率、安全性和环境友好性，因此被考虑用于辅助CBM提取[27]。尽管如此，微波加热可能导致孔隙空间的收缩和坍塌。

在许多情况下，结合微波辐射的体积加热效应与氧化剂的化学氧化的协同过程——微波辅助氧化，可能是一个更有效的解决方案[28]。微波的热效应可以增加氧化剂的垂直渗透性，改善多尺度孔隙之间的连通性，促进渗透和传输[25]。虽然之前的研究讨论了微波辅助氧化对微观分子结构的影响，但它们并未关注这种方法对宏观裂缝和力学性能的影响[29]。此外，理解这些宏观尺度行为需要经过煤研究验证的工具。其中，数字摄影和图像处理技术能够对煤表面裂缝参数（包括长度、开口度和分形维数）进行无损定量分析[30]；超声波测试通过将波速或衰减与内部孔隙-裂缝网络的变化相关联来有效评估煤的体积降解[31,32]；单轴压缩结合声发射可以表征煤的力学性能（抗压强度、弹性模量）并阐明其加载过程中的破坏机制[33,34]。尽管这些技术提供了关于煤宏观结构的多维见解，但将它们应用于分析微波辅助氧化对宏观裂缝和煤力学性能的影响仍然是一个基本挑战。因此，本研究将详细阐述煤在微波辅助氧化下的宏观裂缝发育特征和力学响应行为，从而为选择CBM商业开发的可行方案提供技术指导。

材料

本研究使用的是中国河南省平顶山煤田的VI_15-16煤层。该煤层的平均气体含量为18.41 m3/t，渗透率为0.19 × 10?2 m?2 D，渗透系数小于0.21 × 10?2 m2/(MPa2 d)。动态粘度系数和CBM的组分比例记录在补充表1中。因此，这个煤层属于埋藏深度为840米的深煤层，储量丰富但渗透性较低。

表面裂缝的发育

确定煤芯表面宏观裂缝发育的最直观方法是观察其表面形态的变化。为了区分煤基质和裂缝，本文使用PCAS软件对原始岩芯图像进行二值化处理。图2显示了处理前后煤芯表面裂缝的分布特征。处理前的煤芯表面只有极少的裂缝，而

结论

通过超声波、单轴压缩和声发射测试研究了处理前后煤芯的宏观裂缝演化特征和力学响应行为。主要结论包括：

(1)

微波加热会诱导二次裂纹的形成，而氧化主要导致煤表面的孔洞、空洞或氧化损伤。微波辅助氧化促进了裂缝的形成、扩展、分叉和渗透。经过循环微波辅助处理后

CRediT作者贡献声明

徐超平：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法论，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢湖南科技大学资源环境与安全工程学院的何立教授提供的仪器设备。