在全球脱碳和确保能源供应的背景下，煤层气（CBM）作为一种重要的非常规天然气资源逐渐受到重视[1]。由于其广泛的全球分布和丰富的储量[2]，CBM具有双重优势：它既可作为更清洁的燃料来源，又能通过预抽排有害气体来减少煤炭开采过程中的温室气体排放并提高煤矿安全性[3,4]。然而，在储层层面存在一个根本性矛盾——煤层的低渗透性严重限制了气体流动，导致CBM的理论潜力在实践中未能得到充分实现，全球实际产量远低于资源估算[5,6]。因此，通过有针对性的储层刺激技术克服这一渗透性瓶颈不仅是一个操作挑战，也是关键技术前提。
解决这一渗透性问题需要多种刺激策略。传统方法可分为三类：（1）物理/化学储层改造（如水力压裂、脉冲刺激、化学处理）[7, [8], [9], [10]；（2）气体置换技术，主要使用CO2或N2注入[11,12]；（3）钻井/完井优化方法，例如多分支水平井和洞穴完井[13,14]。然而，这些传统方法存在局限性：物理/化学方法可能损坏煤基质，在塑性煤层中的效果有限，操作半径受限且成本较高[15]；气体注入可能导致基质膨胀、产生不均匀的置换路径、干扰相邻井的压力，并需要昂贵的气体分离过程[16]；钻井/完井技术受地质条件限制、投资风险高且井筒稳定性问题突出[17]。相比之下，受石油和天然气开采技术创新的启发，最近的发展为物理场刺激技术带来了新的前景。利用电场、磁场、微波、电脉冲或声场的技术[18,19]展现出多方面的潜力，这些方法能够重塑煤的孔隙-裂隙结构，从而增强甲烷扩散和气体流动，并通过改变孔隙表面特性和内部热状态来调节甲烷解吸过程[20]。
超声波技术在碳氢化合物提取中的应用始于20世纪中叶，由美国和苏联率先开展，现场试验显示了显著的生产提升效果[21]。Mullakaev等人开发了专用超声波仪器，并通过严格的现场试验验证了其在生产优化中的有效性[22]。Hamidi的模拟实验表明，超声波可降低储层原油的粘度[23]。Couvreur研究了钙质地层中的超声波衰减动态，为声学刺激的岩性响应提供了基础理解[24]。Shchukin对固体界面空化效应的理论分析为潜在的煤基质变化提供了关键见解[25]。20世纪末，Xian等人将声学技术应用于煤层气提取，提出了在中国储层中控制声学渗透性增强的概念框架[26]。此后，相关研究系统地探讨了超声波对煤的结构改变、甲烷传输动态及关键声学参数的影响[27-30]。Tang等人证实超声波空化是煤基质裂隙扩展的主要驱动力，并建立了其与渗透性增强的直接关联[27]。Liu等人发现了受超声波激发的水合煤中孔隙结构演变的双重阈值效应——时间效应和功率依赖性[28]。Mao的集成振动-热-水力-力学模型阐明了控制超声波增强渗透性和甲烷回收的多物理机制[29]。Liu等人的现场验证证实了功率超声波在提高经济可行CBM产量方面的技术可行性[26]。Wang的机理研究表明，空化作用破坏了煤的机械结构，从而促进了渗透性的产生和甲烷的释放[30]。Liu的进一步研究表明，湿度会影响超声波效果的放大，尤其是在高湿度储层中对吸附/扩散动力学有显著影响[31]。Zhang的计算分析表明，在低频声学条件下，频率-功率相互作用能够提升空化效果[32]。Lin等人通过脉冲超声波激发实验和多尺度孔隙测试发现，脉冲超声波可显著增加煤的孔隙体积和比表面积，其中大孔隙的增幅最为明显，并且这种效应随激发周期的增加而线性增强[33]。Yang等人发现，高功率超声波虽然会降低煤的机械性能，但能有效提高煤层渗透性，促进裂隙扩展和复杂性增加[34]。Wang等人证明延长超声波处理时间可增加煤体孔隙度并提升其连通性，从而线性改善渗透性[35]。尽管已有大量关于超声波增强煤层渗透性机制、孔隙结构演变和气体迁移的研究，但在理解超声波频率与孔隙和裂隙结构之间的定量关系方面仍存在关键空白。现有研究大多局限于单一频率，缺乏跨宽频率范围的系统比较，这阻碍了揭示频率与孔隙-裂隙重组之间潜在的连续非线性响应模式，也使得建立能够预测空间差异行为的“频率-结构”响应关系变得更为困难。这种局限性严重限制了针对目标孔隙尺寸的精确频率优化，并限制了通过多频率组合策略克服单一频率激发效率瓶颈的技术途径。为解决这一根本问题，我们研究了五种超声波频率（25.0 kHz至82.5 kHz）下的孔隙-裂隙演变和渗透性变化。通过采用多种汞侵入孔隙度法、CT重建和孔隙网络模型渗透性分析方法，揭示了宽频率激发下频率依赖的孔隙-裂隙重构和空间差异化的机制。这些发现为优化超声波煤层渗透性增强中的精确频率选择提供了新的理论依据。
