微波加熱油頁巖儲層的熱響應(yīng)

摘要：

微波加熱技術(shù)作為傳統(tǒng)加熱方法的替代方案，在油頁巖原位開采中備受關(guān)注。為了研究微波輻射下油頁巖的升溫變化過程、孔隙度及滲透率的變化規(guī)律、內(nèi)部位移等熱響應(yīng)，采用COMSOL Multiphysics軟件，基于耦合的三維電磁-熱-滲流-固體力學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：微波加熱條件下，油頁巖儲層的溫度上升迅速，且隨著功率增加，升溫速度顯著提高；不同功率下，儲層達(dá)到熱解溫度所需的時間存在明顯差異，800 W微波功率作用下油頁巖升溫最快。隨著加熱時間的延長，孔隙度和滲透率逐漸提高，尤其是在高功率下，其增長幅度更為顯著；微波輻照第500天時不同功率下的油頁巖平均滲透率均達(dá)到峰值，在800 W時滲透率達(dá)到了1.93×10^-16 m²。微波加熱導(dǎo)致了力學(xué)性質(zhì)的削弱和地層損傷的增加，當(dāng)微波輻射功率為800 W時出現(xiàn)油頁巖最大位移3.8 cm。綜合來看，

微波功率設(shè)置為600 W時，可顯著提升微波熱解油頁巖儲層的工程應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：

油頁巖；微波加熱；儲層；數(shù)值模擬；原位開采

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230242

中圖分類號：TE662；P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Supported by the Project of Liaoning Provincial Department of Education "（LJKZ0360）， the "Applied Basic Research Program of Liaoning Province （2022JH2/101300136） and the National Key "Research and Development "Program of China （2019YFA0705501）

Thermal Response of Microwave Heating in Oil Shale Reservoirs

Cheng Yao^{1， 2}， Lu Dandan²， Zhao Longfei³

1. College of Innovation and Practice， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， Liaoning， China

2. School of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000， Liaoning， China

3. Engineering Technology Research Institute of CNPC Xibu Drilling Engineering Co.， Ltd.， Karamay 834000， Xinjiang， China

Abstract：

Microwave heating technology as an alternative to conventional heating methods in oil shale exploitation microwave heating technology has gained significant attention as an alternative to traditional heating methods in the exploitation of oil shale reserves. In order to investigate the thermal response of oil shale under microwave radiation， as well as the changes in porosity， permeability， and internal displacement， numerical simulations were conducted using COMSOL Multiphysics software. These simulations were based on a coupled 3D electromagnetic-thermal-permeability-solid mechanics model. The results revealed the following key findings： Under microwave heating conditions， the temperature of the oil shale reservoir increases rapidly. Moreover， as the microwave power increases， the rate of temperature rise significantly accelerates. Different power levels result in distinct timeframes required for the reservoir to reach its pyrolysis temperature， with the fastest heating occurring at 800 W microwave power. With prolonged heating， porosity and permeability gradually increase， especially at higher power levels， where the growth is more pronounced. At the 500^th"day of microwave irradiation， the average permeability of oil shale reached its peak under different power levels， with a permeability of 1.93×10^-16"m²"observed at 800 W. Microwave heating leads to the weakening of mechanical properties and increased formation damage in the reservoir. When the microwave radiation power reaches 800 W， the maximum displacement reaches 3.8 cm. In summary， selecting a microwave power of 600 W demonstrates significant engineering application benefits for the in-situ pyrolysis of oil shale reservoirs.

Key words：

oil shale; microwave heating; reservoirs; numerical simulation; in-situ extraction

0"引言

油頁巖是一種潛力巨大的非常規(guī)油氣資源，其具有許多可供綜合開發(fā)利用的潛在用途。我國油頁巖資源儲量豐富，若油頁巖資源得以充分、合理地開發(fā)利用，可為我國能源及相關(guān)產(chǎn)業(yè)增加充沛的新鮮血液^[1-2]。原位開采技術(shù)通過對地下含油頁巖地層進(jìn)行加熱開采，并通過生產(chǎn)井采集油頁巖油^[3]，具有加工強度低、環(huán)境友好的優(yōu)點^[4-5]。

在油頁巖的油氣開采中，通過現(xiàn)場原位熱解促進(jìn)開采正在逐漸被視為一種有效的方法。許多研究人員^[6-8]已經(jīng)進(jìn)行了大量的實驗和數(shù)值研究，以評估這一技術(shù)的可行性。無論是采用電加熱還是對流加熱的方式，都受到油頁巖導(dǎo)熱系數(shù)相對較低的制約，因此加熱效率受到一定限制。油頁巖在加熱升溫過程中產(chǎn)生一系列的不同賦存狀態(tài)的水和烴類流體，并伴隨著吸熱的脫水過程和放熱的有機質(zhì)氧化過程^[9]，其中大量的能源被消耗。油頁巖儲層內(nèi)的有機質(zhì)通常需要相當(dāng)長的時間才能發(fā)生熱解并被采出。目前的傳統(tǒng)加熱方法只有通過縮短注熱井之間的距離以及延長加熱時間，才能提高油氣采出的效率，但這將導(dǎo)致巨大的熱能消耗。目前，為了提高油頁巖的出油率，提高油頁巖的質(zhì)量，研究人員提出了許多熱處理工藝和方法^[10]。其中，電磁技術(shù)在稠油、煤層氣和油砂開發(fā)中已經(jīng)顯示出巨大的潛力。Sadeghi等^[11]比較了電磁加熱、電加熱和蒸汽循環(huán)三種油砂預(yù)熱方式，其中電磁加熱可以顯著降低能耗。微波輻射可以在不消耗水的情況下有效地提高頁巖的孔隙連通性，水同時與力壓裂技術(shù)的結(jié)合是提高油頁巖油氣采收率的一種有效方法，也使儲層重建更加綠色和可持續(xù)^[12]。微波輻射材料的過熱現(xiàn)象、快速達(dá)到最終反應(yīng)溫度、能耗低、熱分布均勻、產(chǎn)生熱區(qū)是微波加熱最顯著的優(yōu)點^[13]。雖然實驗室實驗是研究微波輻照后油頁巖熱響應(yīng)最直接的方法^[14]，但微波加熱過程中油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)演化^[15]、原油生產(chǎn)運移以及油頁巖內(nèi)部壓力和熱應(yīng)力難以可視化和量化。例如油頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)過熱處理后，很難通過室內(nèi)實驗進(jìn)行測試。近年來，數(shù)值模擬已成為預(yù)測和可視化微波加熱下材料熱響應(yīng)的有效工具^[16]。

隨著原位開采技術(shù)的成熟，礦區(qū)開采后可能面臨地面沉降、變形等環(huán)境地質(zhì)問題，破壞土地資源，影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展^[17]。在油頁巖的熱解過程中，由于熱應(yīng)力的積累和有機質(zhì)的熱解作用，孔隙被連通并擴(kuò)展成裂縫^[18]，影響其滲流特性，甚至改變了其力學(xué)性能。前人^[19]的研究表明，油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)隨溫度的變化而變化。在室溫下，油頁巖孔隙呈非均質(zhì)無定形，表現(xiàn)為毛細(xì)血管和微孔。隨著溫度的升高，巖體內(nèi)產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，孔隙沿層理等薄弱表面擴(kuò)張，形成熱裂縫^[20]。當(dāng)達(dá)到熱解溫度時，有機質(zhì)的消失也導(dǎo)致孔隙的生成和裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大^[21]，裂縫與熱解孔隙的連接可能形成蝌蚪狀結(jié)構(gòu)^[22]。油頁巖熱解后具有明顯的分形特征和自相似性^[23]?？紫督Y(jié)構(gòu)對巖體變形的影響不僅在于熱解后孔隙結(jié)構(gòu)的巨大變化和裂縫的明顯指向性，還在于其擴(kuò)張和閉合的特性。

因此，在微波原位開采過程中，對孔隙度、滲透率的變化以及加熱后油頁巖的位移進(jìn)行深入研究，這對于油頁巖油氣的有效開采至關(guān)重要。本研究采用了耦合的三維電磁-熱-滲流-力學(xué)模型，以深入探討微波輻射對油頁巖的熱響應(yīng)以及對巖石性質(zhì)的影響。通過數(shù)值模擬，揭示了微波加熱導(dǎo)致的油頁巖升溫過程，研究了微波輻射對孔隙度和滲透率的影響規(guī)律，這些參數(shù)對于地下儲層的流體運移和儲存能力具有至關(guān)重要的影響。同時，深入研究內(nèi)部位移的變化情況，有助于揭示巖石結(jié)構(gòu)在微波加熱下的響應(yīng)機制。

1"模型介紹

利用微波輻射的方式對油頁巖地層進(jìn)行加熱數(shù)值模擬時，為真實地反映油頁巖儲層開采情況，其數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建應(yīng)兼顧多種因素的影響，同時還要盡可能地將復(fù)雜模型進(jìn)行簡化，確保模型能夠收斂。研究將建立以下假設(shè)：1）在進(jìn)行微波加熱時，傳熱場的作用僅限于油頁巖儲層內(nèi)部；2）不考慮油頁巖干酪根的多級化學(xué)反應(yīng)；3）在進(jìn)行加熱過程中，忽略油氣與水的兩相界面處表面張力的影響；4）油頁巖儲層中的水分以及油氣產(chǎn)物遵循達(dá)西定律；5）儲層中的流體與固體骨架在加熱時瞬間達(dá)到局部熱平衡；6）油頁巖視為各向同性介質(zhì)，滿足彈性力學(xué)的本構(gòu)方程，加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力對其有直接影響。

圖1為油頁巖微波加熱的概念示意圖，其中微波發(fā)射井位于地層四周，而采出井則位于中央。在油頁巖層上下各存在20 m的泥巖層（棕色區(qū)域）。地層上部鉆取微波發(fā)射井，用于布置微波發(fā)射裝置。微波發(fā)射井距離人工裂縫處的距離為4 m。此外，在地層的頂部中央鉆取1口采出井，用于抽取油氣。模擬的油頁巖地層尺寸為長16 m、寬12 m、高10 m，內(nèi)部包含水力裂縫，其寬度為0.01 m、長度為12 m。為了簡化模型并進(jìn)行有限元分析，采用二維平面模型（圖2）。如圖2a所示，在注入井與開采井之間布置了四個探測點（A、B、C、D）。圖2b為網(wǎng)格尺寸因子示意圖，包含53 598個單元，平均尺寸因子達(dá)到了0.934 5。端口發(fā)射井和采出井附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，其他區(qū)域為常規(guī)網(wǎng)格，以保證計算精度與計算效率。

2"模型建立的過程

2.1"控制方程

電磁場控制方程：×E=－Bt；（1）×H=J+D_Et；（2）

·B=ρe；（3）

·D_E=0。（4）

式中：為哈密頓算子；“×”代表叉積；E為電場強度（V/m）;B為磁通量密度（Wb/m³）;

t為時間（s）；

H為磁場強度（A/m）；J為電流密度（A/m²）；D_E為電通量密度（C/m²）；“·”代表點積；ρe為電荷密度（C/m³）。初始電場強度為0 V，在油頁巖的四周設(shè)置散射邊界條件。

隨時間改變的磁場分布可以用亥姆霍茲矢量方程表示為×μ^-1r（×E）－k²₀（εr－jσωε₀）E=0。（5）

式中：μr為相對磁導(dǎo)率（N/A2）；k₀為自由空間波數(shù)（F/m）；εr為材料的相對介電常數(shù)；j為電流密度（A/m²）;σ為電導(dǎo)率（S/m）;ω為角頻率（rad/s）;ε₀為材料在真空中的介電常數(shù)（8.85×10^-12"F/m）。

相對介電常數(shù)εr可表示為

εr=ε′－jε″。（6）

式中：ε′為材料的介電常數(shù)；ε″為材料相應(yīng)的損耗系數(shù)。

溫度場控制方程為

ρsc_pcTt+ρsc_pcu·T+·q=Q。（7）

式中：ρs為油頁巖的密度（kg/m³）；c_pc為油頁巖的比熱容（J/kg·K）；T為溫度（K）；

t為微波熱解時的溫度（K）;

u為材料內(nèi)部流體的流速（m/s）；q為溫度場熱通量（W/m²）；Q為額外熱源（W/m³）。油頁巖層的初始溫度為20 ℃，油頁巖四周設(shè)置為自由邊界條件。

變形場控制方程為

FV=－·［S₀+C：（ε－ε_init－ε_th）］。（8）

式中：F_V為體積力（N/m³）；S₀為初始應(yīng)力（MPa），C為四階彈性張量；“：”代表雙重點積；ε為總應(yīng)變；ε_init為初始應(yīng)變；ε_th為熱應(yīng)變，ε_th=α（tr－t_ref），α為介質(zhì)熱膨脹系數(shù)，

t_r為微波熱解時的溫度（K），

t_ref為應(yīng)變參考溫度（K），即儲層的初始溫度。在油頁巖層的四周無位移，油頁巖層上部受到均布力載荷：σ_Z=0.4 MPa。

滲流場控制方程為

km=Am·lnp+Bm。（9）

式中：km為儲層的滲透率（m²）；A_m，B_m為方程的擬合系數(shù)，Am=0.0326·（Km/μ₀）^1.0942，Bm=0.3436·（Km/μ₀）^1.8427，其中Km為儲層的氣測滲透率（m²），μ₀為油氣流體的動力黏度（MPa·s）;p為壓力梯度（MPa/m）。設(shè)置油頁巖層的初始壓力為3 MPa，油氣的采出井固定壓力為0.1 MPa，微波輻射井的壓力為0.3 MPa，油頁巖四周設(shè)置為不透水邊界。

不同功率下的孔隙度及熱導(dǎo)率（W/（m·K））擬合函數(shù)分別為

φ_{400 W}=9.337×10^－5T－5.693×10^－3；φ_{600 W}=1.872×10^－4T－6.674×10^－3；φ_{800 W}=2.309×10^－4T－8.005×10^－3。（10）

λ_{400 W}=－4.695×10^－4T+1.896；λ_{600 W}=－5.470×10^－4T+1.891；λ_{800 W}=－6.688×10^－4T+1.889。（11）

2.2"彈性模量控制方程

本次實驗所采用的試件為撫順西露天礦油頁巖試件，實驗試件及實驗設(shè)備如圖3所示。首先將試件加工成直徑為25 mm、高為50 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件，共13個，并對兩端用砂紙進(jìn)行打磨，以保證其平整性；然后將其放入實驗室自制的微波加熱設(shè)備中進(jìn)行加熱，設(shè)備提前進(jìn)行預(yù)熱并充入氮氣隔絕氧氣，使用400 W的微波功率依次調(diào)節(jié)加熱溫度分別加熱到350、400、500、600 ℃，保溫30 min；最后依次將試件取出并冷卻至室溫，進(jìn)行單軸壓縮試驗。將微波功率調(diào)節(jié)到600、800 W依次重復(fù)上述實驗步驟，用以研究不同微波功率和溫度條件下油頁巖樣品的彈性模量，并得到彈性模量擬合函數(shù)。

通過微波熱解實驗和單軸壓縮實驗來研究不同溫度、微波功率條件下油頁巖的彈性模量變化，結(jié)果見圖4。在常溫（20 ℃）下，油頁巖的彈性模量為2.813 GPa，將其作為基準(zhǔn)值（圖4a）。在微波功率為400 W時，油頁巖的彈性模量隨溫度的升高呈現(xiàn)近似線性下降趨勢，這可能是由于低功率微波加熱效果較弱，導(dǎo)致油頁巖內(nèi)部溫度升高不明顯；當(dāng)溫度達(dá)到

350 ℃時，油頁巖的彈性模量下降到2.234 GPa，相較于常溫降低了20.64%。在600 W微波功率下，彈性模量為2.328 GPa，下降了17.24%；在800 W功率下，彈性模量為2.254 GPa，下降了19.87%（圖4a）。這些降低可能是由于油頁巖內(nèi)部干酪根開始發(fā)生相變、巖石內(nèi)部裂縫熱應(yīng)力擴(kuò)展等因素共同作用，導(dǎo)致彈性模量下降。

在溫度為400～500 ℃下：微波功率為400 W時的油頁巖彈性模量由1.761 GPa下降至1.269 GPa，降低了27.93%；功率為600 W時，彈性模量由1.836 GPa下降至1.028 GPa，降低了44.00%；功率為800 W時，彈性模量由1.717 GPa下降至1.492 GPa，降低了13.10%（圖4a）。這一溫度區(qū)間下，內(nèi)部有機質(zhì)發(fā)生大范圍熱解，干酪根分解產(chǎn)生油氣產(chǎn)物，使孔隙內(nèi)部壓力增大，引起熱破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙和裂縫大幅度發(fā)展，微裂縫相互連接，貫穿試樣上下表面，導(dǎo)致強度降低。

當(dāng)熱解終溫達(dá)到600 ℃時，400和600 W功率下的油頁巖彈性模量相較300 ℃時出現(xiàn)了輕微上升，而在800 W功率下仍持續(xù)下降。在400 W功率下，彈性模量為1.377 GPa，相比500 ℃的彈性模量上升了8.51%；在600 W功率下，彈性模量為1.300 GPa，相比上一個500 ℃上升了26.45%；在800 W功率，彈性模量變?yōu)榱?.247 GPa，相比500 ℃下降了16.21%（圖4a）。彈性模量出現(xiàn)上升的主要原因是高溫下油頁巖內(nèi)部礦物質(zhì)經(jīng)歷了改性，高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)槠邘X石^[20]，增強了巖石基質(zhì)的強度。

將實驗獲得的油頁巖的彈性模量與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果顯示隨著溫度的升高，油頁巖的彈性模量逐漸減小。進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)這一關(guān)系可以用線性方程來描述，油頁巖的微波熱解溫度與彈性模量呈線性遞減關(guān)系，實驗溫度越高測得的油頁巖的彈性模量越低。

不同功率下的彈性模量（GPa）線性擬合函數(shù)（圖4b、c、d）為

E_{400 W}=2.933－0.00278T；E_{600 W}=2.997－0.00303T；E_{800 W}=2.952－0.00279T。（12）

2.3"初始值和輸入?yún)?shù)

在研究油頁巖原位開采的復(fù)雜性時，必須考慮到模型的復(fù)雜性和計算的繁瑣性。因此，在本文中采用簡化的二維模型，并參考文獻(xiàn)[24-26]的一些參數(shù)，如表1所示。研究背景為撫順地區(qū)的油頁巖儲層原位開采，該地區(qū)的油頁巖儲層厚度在400～500 m之間，油頁巖的含油率可高達(dá)12%。這種簡化的二維模型是分析油頁巖原位開采機理的關(guān)鍵工具，可規(guī)避復(fù)雜三維模型的計算限制。同時，基于已有研究中的參數(shù)可建立一個基本的框架，以便系統(tǒng)分析撫順地區(qū)油頁巖儲層的物性特征與資源潛力。

2.4"模型可靠性驗證

驗證網(wǎng)格質(zhì)量的收斂性在數(shù)值模擬中旨在保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對于解決實際復(fù)雜問題至關(guān)重要。通過檢驗不同網(wǎng)格密度下的模擬結(jié)果，可以確認(rèn)模型的穩(wěn)定性。在開始大量模擬之前，該測試基于800 W、50 d的平均樣品溫度。在圖5中，網(wǎng)格數(shù)低于20 000時，樣品的平均溫度變化顯著；使用53 598作為模型的網(wǎng)格號是可以接受的，它不依賴于網(wǎng)格分辨率。因此，所有的模擬都是使用53 598個網(wǎng)格單元。

3"模擬結(jié)果

3.1"溫度場

在油頁巖原位微波加熱過程中，儲層吸收微波能量以進(jìn)行體積加熱。這一過程導(dǎo)致內(nèi)部的溫度升高，而內(nèi)部的熱量則通過油頁巖的骨架向遠(yuǎn)處傳遞。這種熱量傳遞和分布過程對于油頁巖儲層的開采至關(guān)重要。油頁巖內(nèi)部的干酪根在常溫狀態(tài)下以固體形態(tài)存在于油頁巖中，但當(dāng)溫度升高時，干酪根會經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化。即當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，干酪根開始發(fā)生相變，這是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變點。在相變發(fā)生后，干酪根會熱解出熱瀝青，熱瀝青隨后受熱分解成為油頁巖油和氣體。這個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)鏈導(dǎo)致了巖石內(nèi)部孔隙和裂縫的逐漸發(fā)育。隨著這一過程的進(jìn)行，巖石中的油頁巖油和氣體會受到熱梯度的影響，逐漸向低熱量區(qū)流動。這種滲流過程是油頁巖原位加熱開采的核心機制，使得原本固定在儲層中的油氣得以釋放和收集。

微波功率在400、600、800 W時的開采過程中溫度場變化如圖6所示。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)：隨著時間的增加，靠近端口的油頁巖升溫速度極快；在第1天開始時，油頁巖在微波端口處開始出現(xiàn)較高的溫度，隨著時間的增加，微波注入井的溫度逐漸升高，儲層的溫度梯度隨著時間增大逐漸減小。其中：400 W功率作用下微波發(fā)射井的溫度約為40 ℃，當(dāng)微波功率提升到600、800 W時，微波發(fā)射井周圍的溫度在第1天達(dá)到了50 ℃左右；持續(xù)加熱油頁巖，當(dāng)加熱時間達(dá)到300 d時，400 W微波功率下油頁巖的微波發(fā)射井溫度達(dá)到360 ℃，同等情況下，600、800 W作用時發(fā)射井的溫度高達(dá)500 ℃左右；在a. 400 W，第1天；b. 400 W，第300天；c. 400 W，第500天；d. 600 W，第1天；e. 600 W，第300天；f. 600 W，第500天；g. 800 W，第1天；h. 800 W，第300天；i. 800 W，第500天。

500天時，油頁巖溫度繼續(xù)升高，在較低微波功率400 W時，油頁巖的微波發(fā)射井附近能夠?qū)囟瓤刂圃?00 ℃左右，但是隨著微波功率的上升，油頁巖的微波發(fā)射井中心處的溫度達(dá)到了700 ℃，超過了油頁巖的最大熱解溫度。過高的溫度對油頁巖的熱解產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致油氣產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，發(fā)射端口附近的基質(zhì)出現(xiàn)結(jié)焦，同時也會影響發(fā)射井口的穩(wěn)定性。

不同功率下的油頁巖溫度變化趨勢如圖7所示。由圖7可見，隨著微波功率的增加，油頁巖的溫升速率也顯著增加。以400 W功率為例，油頁巖的平均溫度僅達(dá)到403 ℃左右，而在高功率下，如600和800 W，油頁巖的平均溫度能夠迅速升至約570 ℃。這個現(xiàn)象揭示了微波功率對加熱速率的影響顯著。 在加熱初期，油頁巖儲層會出現(xiàn)一個溫度驟升的階段。這是因為在加熱初期，油頁巖內(nèi)部的水分起著重要作用，它具有高介電常數(shù)，因此能夠快速吸收微波能量并促使儲層升溫。隨著加熱過程的進(jìn)行，油頁巖內(nèi)部的含水率逐漸降低，導(dǎo)致介電常數(shù)下降，儲層內(nèi)部溫度逐漸穩(wěn)定上升。這一階段的溫度驟升反映了水分在初期加熱中的作用，而后續(xù)的溫度上升主要受油頁巖本身的熱解和能量傳遞過程的影響。

油頁巖的初始熱解溫度約為350 ℃，不同微波功率下，需要的時間達(dá)到這個溫度點是不同的。以400 W功率為例，需要約430 d才能使油頁巖的平均儲層溫度達(dá)到這個熱解溫度；在600和800 W功率下，油頁巖儲層的平均溫度僅需大約300 d就能達(dá)到這一溫度點。這一分析結(jié)果清楚地表明，增加微波功率可以顯著提高加熱速度。

3.2"孔隙度、滲透率的變化

在微波加熱油頁巖儲層的過程中，油頁巖通過吸收微波能量來升溫。隨著溫度的升高，儲層內(nèi)部的孔隙和裂縫變得更加復(fù)雜。這種孔隙網(wǎng)絡(luò)的演化對儲層內(nèi)不同化學(xué)組分的流動起到了至關(guān)重要的作用。在微波輻射的作用下，干酪根的熱解導(dǎo)致新的孔隙和裂縫的形成。這些孔隙和裂縫的存在直接影響油氣在儲層內(nèi)的輸運難易程度，與孔隙度和滲透率之間存在密切的聯(lián)系。根據(jù)多孔介質(zhì)的基本理論，孔隙率是指在多孔介質(zhì)材料內(nèi)總孔隙體積與材料的總體積的比值，它用來描述單位體積內(nèi)孔隙所占的比例。在相同的工況下，油頁巖儲層的孔隙度越高，油頁巖的升溫速度就越快。這是因為電磁波在空氣中的傳播會產(chǎn)生較少的電磁損耗，相比之下，電磁波在油頁巖基質(zhì)中的能量損耗較大。因此，微波能夠更有效地傳輸?shù)絻拥纳钐?，對油頁巖進(jìn)行更為均勻和高效的加熱。

從圖8可以明顯看出，沿著靠近微波發(fā)射井的方向，孔隙度和滲透率的變化幅度明顯較低。在靠近微波發(fā)射井的區(qū)域，隨著熱解時間的增加，孔隙度和滲透率呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢；距離微波發(fā)射井越遠(yuǎn)，孔隙度和滲透率逐漸減小。這一趨勢反映了微波能量在儲層內(nèi)的傳播和加熱過程，以及與孔隙度和滲透率之間的關(guān)聯(lián)。

不同微波功率下的油頁巖儲層孔隙度和滲透率隨時間的演化呈現(xiàn)出關(guān)鍵的變化（圖9）。在熱解過程的100～300 d間，儲層孔隙度線性上升，顯示出孔隙結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化，但尚未形成完整的連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，因此滲透率的增加相對較慢；接近400 d時，隨著溫度的升高，儲層內(nèi)部受到熱應(yīng)力的影響，發(fā)生了力學(xué)性質(zhì)的改變，導(dǎo)致孔隙完全發(fā)育，從而滲透率急劇上升。具體來說，當(dāng)微波功率為400 W時，500 d時的油頁巖平均孔隙度上升至4.0%；而在600 W時，平均孔隙度達(dá)到10.3%；在800 W時，升至11.9%。這種孔隙度的增加主要源于干酪根的熱解導(dǎo)致了新孔隙的形成，同時伴隨著無機礦物的升溫，引發(fā)了化學(xué)變化，顯著影響了孔隙度和滲透率。儲層的滲透性能對于頁巖內(nèi)部油氣的輸送至關(guān)重要，孔隙度和滲透率之間存在相互關(guān)聯(lián)和互相促進(jìn)的關(guān)系。

在油頁巖儲層加熱過程中，內(nèi)部干酪根經(jīng)歷了相變和熱分解的復(fù)雜過程，其中350 ℃是干酪根初始熱解的臨界溫度點。不同微波功率下，達(dá)到這個溫度所需的時間存在顯著差異。在350 ℃溫度點，儲層滲透率表現(xiàn)出明顯的變化趨勢（圖9）。當(dāng)微波功率為400 W時，油頁巖儲層的平均滲透率達(dá)到了0.78×10^-17"m²，相對于初始滲透率，出現(xiàn)了顯著提升；而在600和800 W功率下，儲層的平均滲透率分別升至3.46×10^-17和5.85×10^-17"m²，也表現(xiàn)出明顯的增加。當(dāng)加熱時間達(dá)到500 d時，在400 W微波功率的作用下，油頁巖儲層的平均滲透率已經(jīng)

顯著提高，達(dá)到了11.8×10^-17"m²，提高到600 W微波功率時，儲層的平均滲透率進(jìn)一步增加，達(dá)到了13.0×10^-17"m²；在800 W微波功率作用下，油頁巖儲層的平均滲透率更是達(dá)到了19.4×10^-17"m²（圖9）。形成這一現(xiàn)象的主要原因在于，相同溫度下，增加微波功率能夠更迅速地將有機質(zhì)升溫至熱解溫度；此外，高功率導(dǎo)致的迅速升溫引發(fā)了巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力增加，促使巖石發(fā)生熱破裂，從而增強了巖石的破裂效應(yīng)，有利于油氣產(chǎn)物的運移。因此，微波功率的提高顯著增大了油頁巖儲層的滲透率。這些結(jié)果凸顯了微波加熱對于改善儲層滲透性的關(guān)鍵作用。

不同微波功率下4個探測點的孔隙度和滲透率的變化趨勢如圖10、11所示，可以觀察到不同功率下孔隙度和滲透率的變化趨勢存在差異?？拷⒉òl(fā)射端口的探測點顯示出更高的孔隙度和滲透率，這是因為微波輻射使原本致密的油頁巖儲層內(nèi)部形成了大量孔隙區(qū)域，增加了儲層的孔隙率，使油氣更容易向生產(chǎn)井流動。在同一位置，微波熱解的前200 d內(nèi)，油頁巖滲透率的變化較小，這是因為在加熱初期，儲層溫度較低，導(dǎo)致內(nèi)部干酪根尚未開始熱解，因此儲層滲透率沒有明顯提高。在接下來的300 d中，儲層溫度升高，干酪根加速熱解，儲層內(nèi)部逐漸形成更完整的滲流通道，從而提高了滲透率。

油頁巖內(nèi)部的孔隙和裂縫分布對滲透率、熱導(dǎo)率都具有重要影響，這些因素在儲層加熱過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。儲層加熱期間熱導(dǎo)率和滲透率之間的變化關(guān)系如圖12所示。隨著儲層內(nèi)部熱導(dǎo)率的降低，滲透率顯著上升。這主要受到內(nèi)部孔隙和裂縫的影響，它們限制了內(nèi)部熱量的傳遞，從而對儲層加熱產(chǎn)生不利影響。相反，裂縫的增加可以顯著提高滲透率，促進(jìn)油氣產(chǎn)物的運移。特別值得注意的是，在微波功率為800 W時，儲層內(nèi)部的滲透率最高達(dá)到了1.93×10^-16"m²，而常溫狀態(tài)下的儲層滲透率僅為6.00×10^-19"m²，這意味著滲透率增加了320.5倍；這說明在儲層加熱過程中，孔隙和裂縫的發(fā)育導(dǎo)致了熱導(dǎo)率的降低，從而顯著提高了儲層的滲透率。

油頁巖儲層內(nèi)部的裂縫在滲透率和熱傳導(dǎo)中起著關(guān)鍵作用。裂縫是主要的滲流通道，能夠顯著提高滲透率，使油氣開采更加有效。裂縫對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生阻礙作用，當(dāng)油頁巖儲層加熱時，熱量需要通過巖石傳導(dǎo)到不同區(qū)域。然而，裂縫的存在導(dǎo)致熱量傳

導(dǎo)路徑變得更為復(fù)雜，裂縫內(nèi)的熱傳導(dǎo)速度相對較慢，因此降低了整個儲層的熱傳導(dǎo)效率。這種現(xiàn)象在溫度升高時尤為顯著，因為裂縫內(nèi)的空氣或氣體通常具有較低的熱導(dǎo)率，從而加劇了熱傳導(dǎo)的受限程度。與熱導(dǎo)率下降不同的是，裂縫的存在會逐漸提高滲透率。裂縫提供了更多的滲流通道，使油氣分子更容易在儲層內(nèi)移動，因此增加了滲透率。隨

著裂縫的不斷擴(kuò)展，滲透率也會相應(yīng)提高，尤其是在較低微波功率下，這一趨勢尤為明顯。

3.3"位移場

在微波功率為800 W下的油頁巖儲層位移隨加熱時間的演化如圖13所示。如圖13可見，隨著加熱時間的推移，儲層內(nèi)的位移發(fā)生了顯著變化。在注入井（圖2a）往人工裂縫處位移逐漸增大，而在

開采井（圖2a）附近位移相對較小。這一現(xiàn)象可以解釋為在加熱初期，加熱井口附近的溫度逐漸上升，但尚未輻射到儲層的周圍區(qū)域。因此，只有靠近井口的巖石儲層受到微波加熱并達(dá)到熱解溫度，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較弱的改變。這種變化在儲層的熱膨脹作用下以位移變化體現(xiàn)，主要在發(fā)射井附近產(chǎn)生。隨著時間的推移，油頁巖儲層的平均溫度不斷上升，導(dǎo)致了裂縫處和開采井附近的穩(wěn)定性降低，位移改變量進(jìn)一步增大。儲層整體呈現(xiàn)向某一方向的移動，最終在500 d時，儲層的平均位移達(dá)到了3.8 cm。這一研究結(jié)果表明，地應(yīng)力和溫度的變化在儲層位移的生成過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著溫度的升高，儲層發(fā)生膨脹和熱膨脹，從而引發(fā)了位移變化。

在不同微波功率條件下，微波發(fā)射井外不同監(jiān)測點的位移變化，同時不同溫度條件下這些監(jiān)測點的位移情況如圖14所示。數(shù)據(jù)觀察顯示，微波加熱明顯影響了油頁巖儲層內(nèi)部的位移，而且各監(jiān)測點之間的位移變化幅度存在明顯差異。如圖14a可見，當(dāng)微波輻射功率為400 W時，油頁巖儲層的位移變化相對較小，500 d平均位移僅為1.93 cm；當(dāng)微波功率提高至600 W時，儲層的平均位移顯著增加，達(dá)到2.91 cm；這結(jié)果表明微波功率的增加對位移變化具有促進(jìn)作用。此外，從不同監(jiān)測點的位移變化來看，在微波輻射時間逐漸增加時，位于靠近采出井和人工預(yù)制裂縫監(jiān)測點的儲層位移明顯增大；這是因為微波加熱導(dǎo)致儲層內(nèi)部溫度升高，從而引發(fā)了儲層的熱膨脹和力學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致位移的增加?？偨Y(jié)而言，圖14的結(jié)果明確表明微波加熱對油頁巖儲層內(nèi)部位移產(chǎn)生了顯著的影響，微波功率的不同以及監(jiān)測點位置的差異也顯著影響了位移變化。這些發(fā)現(xiàn)對于深入理解油頁巖油儲層的動態(tài)響應(yīng)機制具有重要意義，為優(yōu)化油氣開采策略提供了有益信息。

4"結(jié)論

1） 在微波加熱條件下，油頁巖儲層的溫度快速上升，隨著功率增加，升溫速度加快。例如，在400 W功率下，儲層達(dá)到熱解溫度需430 d，而600和800 W功率下僅需約300 d。

2） 微波加熱引起的孔隙度和滲透率變化首先在發(fā)射端口處顯現(xiàn)，隨加熱時間增長而逐步提高。盡管滲透率增長最初滯后，但隨時間推進(jìn)，與溫度升高和干酪根分解相關(guān)的增長幅度加大，最終在500 d時達(dá)到峰值。

3） 微波加熱導(dǎo)致油頁巖儲層的溫度上升和力學(xué)性質(zhì)削弱，特別是在800 W功率下最大位移達(dá)3.8 cm，主要集中在微波注入井和人工裂縫區(qū)域。這種大的位移可能威脅井筒穩(wěn)定性，需要妥善管理。

4） 考慮到滲透率和位移，600 W微波功率是更優(yōu)選擇，因為它既能有效加熱油頁巖儲層，又能減少對井筒造成的損傷，相較于800 W功率，具有更佳的工程效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 李成博，寧傳奇，鐘長林，等. 中國油頁巖礦勘查控制程度探討[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版）， 2021， 51（1）： 13-21.

Li Chengbo， Ning Chuanqi， Zhong Changlin， et al. Exploration and Control Level Discussion on Oil Shale in China[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2021， 51（1）： 13-21.

[2] 高家俊，孟慶濤，曾文人，等. 依蘭盆地始新統(tǒng)達(dá)連河組油頁巖有機地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版）， 2023， 53（1）： 60-72.

Gao Jiajun， Meng Qingtao， Zeng Wenren， et al.Organic Geochemical Characteristics and Depositional Environment Analysis of the Eocene Dalianhe Formation Oil Shale in the Yilan Basin[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2023， 53（1）： 60-72.

[3] Xu Y B， Sun P C， Yao S Q， et al. Progress in Exploration， Development and Utilization of Oil Shale in China[J]. Oil Shale， 2019， 36（2）： 285-304.

[4] Jaber J， Probert S. Environmental-Impact Assessment for the Proposed Oil-Shale Integrated Tri-Generation Plant[J]. Applied Energy， 1999， 62（3）： 169-209.

[5] 游利軍，范道全，康毅力，等. 頁巖有機質(zhì)體積含量：概念、測試方法及意義[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2024， 46（2）： 1-14.

You Lijun， Fan Daoquan， Kang Yili， et al. Organic Volume Proportion in Shale： Concept， Measurement Method and Significance[J].Journal of Southwest Petroleum University （Science amp; Technology Edition）， 2024， 46（2）： 1-14.

[6] 胡德勝，游君君，孫文釗，等. 潿西南凹陷流沙港組頁巖油賦存特征及可動性評價[J]. 斷塊油氣田， 2024，31（1）： 26-33.

Hu Desheng， You Junjun， Sun Wenzhao， et al. Occurrence Characteristics and Mobility Evaluation of Shale Oil in Liushagang Formation， Weixi’nan Sag[J]. Fault-Block Oil amp; Gas Field， 2024，31（1）： 26-33.

[7] 厲家宗，朱超凡，徐紹濤，等. 注采井?dāng)?shù)比對撫順油頁巖注高溫氮氣原位轉(zhuǎn)化開采的影響[J]. 斷塊油氣田， 2023，30（5）： 743-750.

Li Jiazong， Zhu Chaofan， Xu Shaotao， et al. Influences of Injection-Production Wells Ratio on In-Situ Conversion Production of High-Temperature Nitrogen Injection in Fushun Oil Shale[J]. Fault-Block Oil amp; Gas Field， 2023，30（5）： 743-750.

[8] 印森林，陳旭，楊毅，等. 細(xì)粒沉積巖典型低阻油層成因及甜點分布[J]. 石油與天然氣地質(zhì)， 2023， 44（4）： 946-961.

Yin Senlin， Chen Xu， Yang Yi， et al. Origin and Sweet Spots of Typical Low-Resistivity Oil Reservoirs of Fine-Grained Sedimentary Rocks[J]. Oil amp; Gas Geology， 2023， 44（4）：946-961.

[9] 賈建亮，劉招君，孟慶濤，等. 中國陸相油頁巖含油率與總有機碳的響應(yīng)機理[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版）， 2020， 50（2）：368-377.

Jia Jianliang， Liu Zhaojun， Meng Qingtao， et al.Response Mechanism of Oil Yield and Total Organic Carbon in Continental Shale Oil in China[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2020， 50（2）： 368-377.

[10] Elif Türker Acar， Sinem Ortaboy， Gülten Atun. Adsorptive Removal of Thiazine Dyes from Aqueous Solutions by Oil Shale and Its Oil Processing Residues： Characterization， Equilibrium， Kinetics and Modeling Studies[J]. Chemical Engineering Journal， 2015， 276： 340-348.

[11] Sadeghi A， Hassanzadeh H， "Harding T G. A Comparative Study of Oil Sands Preheating Using Electromagnetic Waves， Electrical Heaters and Steam Circulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 111： 908-916.

[12] Sun M D， Zhao X， Liu Q， et al. Investigation of Microwave Irradiation Stimulation to Enhance the Pore Connectivity of Shale[J]. Energy amp; Fuels， 2021， 35（4）： 3240-3251.

[13] Taheri-Shakib J， Kantzas A.

A Comprehensive Review of Microwave Application on the Oil Shale： Prospects for Shale Oil Production[J]. Fuel， 2021， 305： 121519.

[14] Yang D， Wang G Y， Kang Z Q， et al. Experimental Investigation of Anisotropic Thermal Deformation of Oil Shale Under High Temperature and Triaxial Stress Based on Mineral and Micro-Fracture Characteristics[J]. Natural Resources Research， 2020， 29： 3987-4002.

[15] Tiwari P， Deo M， Lin C， et al. Characterization of Oil Shale Pore Structure Before and After Pyrolysis by Using X-Ray Micro CT[J]. Fuel， 2013， 107： 547-554.

[16] "Sadeghi A， Hassanzadeh H， Harding T G. Thermal Analysis of High Frequency Electromagnetic Heating of Lossy Porous Media[J]. Chemical Engineering Science， 2017， 172： 13-22.

[17] Zhang Shuo， Song Shengyuan， Zhang Wen， et al. Research on the Inherent Mechanism of Rock Mass Deformation of Oil Shale In-Situ Mining Under the Condition of Thermal-Fluid-Solid Coupling[J]. Energy， 2023， 280： 128149.

[18] Yang T， Sun Q， Li D L， et al. Study on the Change of Physical Properties of Organic-Rich Shale After Heat Treatment[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2022， 147（11）： 6507-6517.

[19] Bai F T， Sun Y H， Liu Y M， et al. Evaluation of the Porous Structure of Huadian Oil Shale During Pyrolysis Using Multiple Approaches[J]. Fuel， 2017， 187： 1-8.

[20] Zhao J， Yang D， Kang Z Q， et al. A Micro-CT Study of Changes in the Internal Structure of Daqing and Yan’an Oil Shales at High Temperatures[J]. Oil Shale， 2012， 29（4）： 357–367.

[21] Yang L S， Yang D， Zhao J， et al. Changes of Oil Shale Pore Structure and Permeability at Different Temperatures[J]. Oil Shale， 2016， 33（2）： 101.

[22] Huang X D， Yang D， Kang Z Q. Three-Phase Segmentation Method for Organic Matter Recognition in Source Rocks via CT Images： A Case Study on Oil Shale Pyrolyzed by Steam[J]. Energy amp; Fuels， 2021， 35（12）： 10075-10085.

[23] Zhao L M， Liang J， Qian L X. Study on Porous Structure and Fractal Characteristics of Oil Shale and Semicoke[J]. Advanced Materials Research， 2014， 868： 276-281.

[24] 劉志軍. 溫度作用下油頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及滲透特征演化規(guī)律研究[D].太原：太原理工大學(xué)， 2019.

Liu Zhijun. Research on the Evolution Law of Pore Structure and Permeability Characteristics of Oil Shale Under Temperature Effect[D]. Taiyuan： Taiyuan University of Technology， 2019.

[25] Zhu J Y， Yi L P， Yang Z Z， et al. Numerical Simulation on the in Situ Upgrading of Oil Shale Reservoir Under Microwave Heating[J]. Fuel， 2021， 287： 119553.

[26] Wang H， Li X G， Zhu J Y， et al. Numerical Simulation of Oil Shale Pyrolysis Under Microwave Irradiation Based on a Three-Dimensional Porous Medium Multiphysics Field Model[J]. Energies， 2022， 15（9）： 3256.