微波加熱油頁巖儲層的熱響應
2025-04-16 00:00:00程瑤陸丹丹趙龍飛
吉林大學學報(地球科學版) 2025年2期
摘要：
微波加熱技術作為傳統加熱方法的替代方案，在油頁巖原位開采中備受關注。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律、內部位移等熱響應，采用COMSOL Multiphysics軟件，基于耦合的三維電磁-熱-滲流-固體力學模型進行了數值模擬。結果表明：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到峰值，在800 W時滲透率達到了1.93×10-16 m2。微波加熱導致了力學性質的削弱和地層損傷的增加，當微波輻射功率為800 W時出現油頁巖最大位移3.8 cm。綜合來看，
微波功率設置為600 W時，可顯著提升微波熱解油頁巖儲層的工程應用效果。
關鍵詞：
油頁巖；微波加熱；儲層；數值模擬；原位開采
doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230242
中圖分類號：TE662；P618.13
文獻標志碼：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 Yao1， 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，Fuxin 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 500th"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油氣資源，其具有許多可供綜合開發利用的潛在用途。我國油頁巖資源儲量豐富，若油頁巖資源得以充分、合理地開發利用，可為我國能源及相關產業增加充沛的新鮮血液[1-2]。原位開采技術通過對地下含油頁巖地層進行加熱開采，并通過生產井采集油頁巖油[3]，具有加工強度低、環境友好的優點[4-5]。
在油頁巖的油氣開采中，通過現場原位熱解促進開采正在逐漸被視為一種有效的方法。許多研究人員[6-8]已經進行了大量的實驗和數值研究，以評估這一技術的可行性。無論是采用電加熱還是對流加熱的方式，都受到油頁巖導熱系數相對較低的制約，因此加熱效率受到一定限制。油頁巖在加熱升溫過程中產生一系列的不同賦存狀態的水和烴類流體，并伴隨著吸熱的脫水過程和放熱的有機質氧化過程[9]，其中大量的能源被消耗。油頁巖儲層內的有機質通常需要相當長的時間才能發生熱解并被采出。目前的傳統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，電磁技術在稠油、煤層氣和油砂開發中已經顯示出巨大的潛力。Sadeghi等[11]比較了電磁加熱、電加熱和蒸汽循環三種油砂預熱方式，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的結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[12]。微波輻射材料的過熱現象、快速達到最終反應溫度、能耗低、熱分布均勻、產生熱區是微波加熱最顯著的優點[13]。雖然實驗室實驗是研究微波輻照后油頁巖熱響應最直接的方法[14]，但微波加熱過程中油頁巖孔隙結構演化[15]、原油生產運移以及油頁巖內部壓力和熱應力難以可視化和量化。例如油頁巖的孔隙結構經過熱處理后，很難通過室內實驗進行測試。近年來，數值模擬已成為預測和可視化微波加熱下材料熱響應的有效工具[16]。
隨著原位開采技術的成熟，礦區開采后可能面臨地面沉降、變形等環境地質問題，破壞土地資源，影響經濟發展[17]。在油頁巖的熱解過程中，由于熱應力的積累和有機質的熱解作用，孔隙被連通并擴展成裂縫[18]，影響其滲流特性，甚至改變了其力學性能。前人[19]的研究表明，油頁巖孔隙結構隨溫度的變化而變化。在室溫下，油頁巖孔隙呈非均質無定形，表現為毛細血管和微孔。隨著溫度的升高，巖體內產生不均勻的熱應力，孔隙沿層理等薄弱表面擴張，形成熱裂縫[20]。當達到熱解溫度時，有機質的消失也導致孔隙的生成和裂縫的進一步擴大[21]，裂縫與熱解孔隙的連接可能形成蝌蚪狀結構[22]。油頁巖熱解后具有明顯的分形特征和自相似性[23]。孔隙結構對巖體變形的影響不僅在于熱解后孔隙結構的巨大變化和裂縫的明顯指向性，還在于其擴張和閉合的特性。
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行深入研究，這對于油頁巖油氣的有效開采至關重要。本研究采用了耦合的三維電磁-熱-滲流-力學模型，以深入探討微波輻射對油頁巖的熱響應以及對巖石性質的影響。通過數值模擬，揭示了微波加熱導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律，這些參數對于地下儲層的流體運移和儲存能力具有至關重要的影響。同時，深入研究內部位移的變化情況，有助于揭示巖石結構在微波加熱下的響應機制。
1"模型介紹
利用微波輻射的方式對油頁巖地層進行加熱數值模擬時，為真實地反映油頁巖儲層開采情況，其數學模型的構建應兼顧多種因素的影響，同時還要盡可能地將復雜模型進行簡化，確保模型能夠收斂。研究將建立以下假設：1）在進行微波加熱時，傳熱場的作用僅限于油頁巖儲層內部；2）不考慮油頁巖干酪根的多級化學反應；3）在進行加熱過程中，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物遵循達西定律；5）儲層中的流體與固體骨架在加熱時瞬間達到局部熱平衡；6）油頁巖視為各向同性介質，滿足彈性力學的本構方程，加熱產生的熱應力對其有直接影響。
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（棕色區域）。地層上部鉆取微波發射井，用于布置微波發射裝置。微波發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為網格尺寸因子示意圖，包含53 598個單元，平均尺寸因子達到了0.934 5。端口發射井和采出井附近進行網格加密，其他區域為常規網格，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+DEt；（2）
·B=ρe；（3）
·DE=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）；DE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為相對磁導率（N/A2）；k0為自由空間波數（F/m）；εr為材料的相對介電常數；j為電流密度（A/m2）;σ為電導率（S/m）;ω為角頻率（rad/s）;ε0為材料在真空中的介電常數（8.85×10-12"F/m）。
相對介電常數εr可表示為
εr=ε′－jε″。（6）
式中：ε′為材料的介電常數；ε″為材料相應的損耗系數。
溫度場控制方程為
ρscpcTt+ρscpcu·T+·q=Q。（7）
式中：ρs為油頁巖的密度（kg/m3）；cpc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 ℃，油頁巖四周設置為自由邊界條件。
變形場控制方程為
FV=－·［S0+C：（ε－εinit－εth）］。（8）
式中：FV為體積力（N/m3）；S0為初始應力（MPa），C為四階彈性張量；“：”代表雙重點積；ε為總應變；εinit為初始應變；εth為熱應變，εth=α（tr－tref），α為介質熱膨脹系數，
tr為微波熱解時的溫度（K），
tref為應變參考溫度（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：σZ=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）；Am，Bm為方程的擬合系數，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，油頁巖四周設置為不透水邊界。
不同功率下的孔隙度及熱導率（W/（m·K））擬合函數分別為
φ400 W=9.337×10－5T－5.693×10－3；φ600 W=1.872×10－4T－6.674×10－3；φ800 W=2.309×10－4T－8.005×10－3。（10）
λ400 W=－4.695×10－4T+1.896；λ600 W=－5.470×10－4T+1.891；λ800 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的圓柱形標準試件，共13個，并對兩端用砂紙進行打磨，以保證其平整性；然后將其放入實驗室自制的微波加熱設備中進行加熱，設備提前進行預熱并充入氮氣隔絕氧氣，使用400 W的微波功率依次調節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，進行單軸壓縮試驗。將微波功率調節到600、800 W依次重復上述實驗步驟，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。
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，導致油頁巖內部溫度升高不明顯；當溫度達到
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部干酪根開始發生相變、巖石內部裂縫熱應力擴展等因素共同作用，導致彈性模量下降。
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）。這一溫度區間下，內部有機質發生大范圍熱解，干酪根分解產生油氣產物，使孔隙內部壓力增大，引起熱破裂現象，導致試樣內部孔隙和裂縫大幅度發展，微裂縫相互連接，貫穿試樣上下表面，導致強度降低。
當熱解終溫達到600 ℃時，400和600 W功率下的油頁巖彈性模量相較300 ℃時出現了輕微上升，而在800 W功率下仍持續下降。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，彈性模量變為了1.247 GPa，相比500 ℃下降了16.21%（圖4a）。彈性模量出現上升的主要原因是高溫下油頁巖內部礦物質經歷了改性，高嶺石轉變為偏高嶺石[20]，增強了巖石基質的強度。
將實驗獲得的油頁巖的彈性模量與溫度之間的關系進行數據擬合，結果顯示隨著溫度的升高，油頁巖的彈性模量逐漸減小。進一步分析數據后，發現這一關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（圖4b、c、d）為
E400 W=2.933－0.00278T；E600 W=2.997－0.00303T；E800 W=2.952－0.00279T。（12）
2.3"初始值和輸入參數
在研究油頁巖原位開采的復雜性時，必須考慮到模型的復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[24-26]的一些參數，如表1所示。研究背景為撫順地區的油頁巖儲層原位開采，該地區的油頁巖儲層厚度在400～500 m之間，油頁巖的含油率可高達12%。這種簡化的二維模型是分析油頁巖原位開采機理的關鍵工具，可規避復雜三維模型的計算限制。同時，基于已有研究中的參數可建立一個基本的框架，以便系統分析撫順地區油頁巖儲層的物性特征與資源潛力。
2.4"模型可靠性驗證
驗證網格質量的收斂性在數值模擬中旨在保證模擬結果的準確性和可靠性，對于解決實際復雜問題至關重要。通過檢驗不同網格密度下的模擬結果，可以確認模型的穩定性。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，網格數低于20 000時，樣品的平均溫度變化顯著；使用53 598作為模型的網格號是可以接受的，它不依賴于網格分辨率。因此，所有的模擬都是使用53 598個網格單元。
3"模擬結果
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行體積加熱。這一過程導致內部的溫度升高，而內部的熱量則通過油頁巖的骨架向遠處傳遞。這種熱量傳遞和分布過程對于油頁巖儲層的開采至關重要。油頁巖內部的干酪根在常溫狀態下以固體形態存在于油頁巖中，但當溫度升高時，干酪根會經歷一系列復雜的物理化學變化。即當溫度達到一定程度時，干酪根開始發生相變，這是一個關鍵的轉變點。在相變發生后，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。這個復雜的化學反應鏈導致了巖石內部孔隙和裂縫的逐漸發育。隨著這一過程的進行，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中可以發現：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功率作用下微波發射井的溫度約為40 ℃，當微波功率提升到600、800 W時，微波發射井周圍的溫度在第1天達到了50 ℃左右；持續加熱油頁巖，當加熱時間達到300 d時，400 W微波功率下油頁巖的微波發射井溫度達到360 ℃，同等情況下，600、800 W作用時發射井的溫度高達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，油頁巖溫度繼續升高，在較低微波功率400 W時，油頁巖的微波發射井附近能夠將溫度控制在600 ℃左右，但是隨著微波功率的上升，油頁巖的微波發射井中心處的溫度達到了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生不利影響，導致油氣產物發生二次反應，發射端口附近的基質出現結焦，同時也會影響發射井口的穩定性。
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，油頁巖儲層會出現一個溫度驟升的階段。這是因為在加熱初期，油頁巖內部的水分起著重要作用，它具有高介電常數，因此能夠快速吸收微波能量并促使儲層升溫。隨著加熱過程的進行，油頁巖內部的含水率逐漸降低，導致介電常數下降，儲層內部溫度逐漸穩定上升。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就能達到這一溫度點。這一分析結果清楚地表明，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，儲層內部的孔隙和裂縫變得更加復雜。這種孔隙網絡的演化對儲層內不同化學組分的流動起到了至關重要的作用。在微波輻射的作用下，干酪根的熱解導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的輸運難易程度，與孔隙度和滲透率之間存在密切的聯系。根據多孔介質的基本理論，孔隙率是指在多孔介質材料內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生較少的電磁損耗，相比之下，電磁波在油頁巖基質中的能量損耗較大。因此，微波能夠更有效地傳輸到儲層的深處，對油頁巖進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。在靠近微波發射井的區域，隨著熱解時間的增加，孔隙度和滲透率呈現出明顯的增加趨勢；距離微波發射井越遠，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的傳播和加熱過程，以及與孔隙度和滲透率之間的關聯。
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出關鍵的變化（圖9）。在熱解過程的100～300 d間，儲層孔隙度線性上升，顯示出孔隙結構逐漸復雜化，但尚未形成完整的連通孔隙網絡，因此滲透率的增加相對較慢；接近400 d時，隨著溫度的升高，儲層內部受到熱應力的影響，發生了力學性質的改變，導致孔隙完全發育，從而滲透率急劇上升。具體來說，當微波功率為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致了新孔隙的形成，同時伴隨著無機礦物的升溫，引發了化學變化，顯著影響了孔隙度和滲透率。儲層的滲透性能對于頁巖內部油氣的輸送至關重要，孔隙度和滲透率之間存在相互關聯和互相促進的關系。
在油頁巖儲層加熱過程中，內部干酪根經歷了相變和熱分解的復雜過程，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，儲層滲透率表現出明顯的變化趨勢（圖9）。當微波功率為400 W時，油頁巖儲層的平均滲透率達到了0.78×10-17"m2，相對于初始滲透率，出現了顯著提升；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，也表現出明顯的增加。當加熱時間達到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
顯著提高，達到了11.8×10-17"m2，提高到600 W微波功率時，儲層的平均滲透率進一步增加，達到了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到了19.4×10-17"m2（圖9）。形成這一現象的主要原因在于，相同溫度下，增加微波功率能夠更迅速地將有機質升溫至熱解溫度；此外，高功率導致的迅速升溫引發了巖石內部的熱應力增加，促使巖石發生熱破裂，從而增強了巖石的破裂效應，有利于油氣產物的運移。因此，微波功率的提高顯著增大了油頁巖儲層的滲透率。這些結果凸顯了微波加熱對于改善儲層滲透性的關鍵作用。
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。靠近微波發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部形成了大量孔隙區域，增加了儲層的孔隙率，使油氣更容易向生產井流動。在同一位置，微波熱解的前200 d內，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，導致內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。
油頁巖內部的孔隙和裂縫分布對滲透率、熱導率都具有重要影響，這些因素在儲層加熱過程中發揮著關鍵作用。儲層加熱期間熱導率和滲透率之間的變化關系如圖12所示。隨著儲層內部熱導率的降低，滲透率顯著上升。這主要受到內部孔隙和裂縫的影響，它們限制了內部熱量的傳遞，從而對儲層加熱產生不利影響。相反，裂縫的增加可以顯著提高滲透率，促進油氣產物的運移。特別值得注意的是，在微波功率為800 W時，儲層內部的滲透率最高達到了1.93×10-16"m2，而常溫狀態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，孔隙和裂縫的發育導致了熱導率的降低，從而顯著提高了儲層的滲透率。
油頁巖儲層內部的裂縫在滲透率和熱傳導中起著關鍵作用。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。裂縫對熱傳導產生阻礙作用，當油頁巖儲層加熱時，熱量需要通過巖石傳導到不同區域。然而，裂縫的存在導致熱量傳
導路徑變得更為復雜，裂縫內的熱傳導速度相對較慢，因此降低了整個儲層的熱傳導效率。這種現象在溫度升高時尤為顯著，因為裂縫內的空氣或氣體通常具有較低的熱導率，從而加劇了熱傳導的受限程度。與熱導率下降不同的是，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移動，因此增加了滲透率。隨
著裂縫的不斷擴展，滲透率也會相應提高，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，儲層內的位移發生了顯著變化。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域。因此，只有靠近井口的巖石儲層受到微波加熱并達到熱解溫度，導致其力學性質發生較弱的改變。這種變化在儲層的熱膨脹作用下以位移變化體現，主要在發射井附近產生。隨著時間的推移，油頁巖儲層的平均溫度不斷上升，導致了裂縫處和開采井附近的穩定性降低，位移改變量進一步增大。儲層整體呈現向某一方向的移動，最終在500 d時，儲層的平均位移達到了3.8 cm。這一研究結果表明，地應力和溫度的變化在儲層位移的生成過程中發揮了關鍵作用。隨著溫度的升高，儲層發生膨脹和熱膨脹，從而引發了位移變化。
在不同微波功率條件下，微波發射井外不同監測點的位移變化，同時不同溫度條件下這些監測點的位移情況如圖14所示。數據觀察顯示，微波加熱明顯影響了油頁巖儲層內部的位移，而且各監測點之間的位移變化幅度存在明顯差異。如圖14a可見，當微波輻射功率為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；當微波功率提高至600 W時，儲層的平均位移顯著增加，達到2.91 cm；這結果表明微波功率的增加對位移變化具有促進作用。此外，從不同監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制裂縫監測點的儲層位移明顯增大；這是因為微波加熱導致儲層內部溫度升高，從而引發了儲層的熱膨脹和力學性質的改變，進而導致位移的增加。總結而言，圖14的結果明確表明微波加熱對油頁巖儲層內部位移產生了顯著的影響，微波功率的不同以及監測點位置的差異也顯著影響了位移變化。這些發現對于深入理解油頁巖油儲層的動態響應機制具有重要意義，為優化油氣開采策略提供了有益信息。
4"結論
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射端口處顯現，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，與溫度升高和干酪根分解相關的增長幅度加大，最終在500 d時達到峰值。
3） 微波加熱導致油頁巖儲層的溫度上升和力學性質削弱，特別是在800 W功率下最大位移達3.8 cm，主要集中在微波注入井和人工裂縫區域。這種大的位移可能威脅井筒穩定性，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。
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