工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 叶功勤曹函高强陈裕孙平贺张绍和 Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing YE Gong-qin,CAO Han,GAO Qiang.CHEN Yu,SUN Ping-he,ZHANG Shao-he 引用本文： 叶功勤，曹函，高强，陈裕，孙平贺，张绍和.充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究.工程科学学报，2022,44(3：348-356. doi10.13374j.issn2095-9389.2020.10.17.001 YE Gong-qin,CAO Han,GAO Qiang.CHEN Yu,SUN Ping-he,ZHANG Shao-he.Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing[J].Chinese Journal of Engineering,2022,44(3):348-356.doi: 10.13374-issn2095-9389.2020.10.17.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.10.17.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报.2020,42(9列：1130 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.06.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报.2018.40(7)：776 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.07.002 基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究 Hydraulic fracture prediction theory based on the minimumstrain energy density criterion 工程科学学报.2019,41(4：436 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.04.003 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting 工程科学学报.2021,43(7)：894 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.02.15.001 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 Photoelastic experimental study on the force chain structure and evolution in top coal and overlaying strata under fully mechanized top coal caving mining 工程科学学报.2017,391)：13 https::/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.002 基于单相LBM模拟大平板反重力充型过程 Simulation of large plate castings in counter-gravity mould filling process based on single-phase LBM 工程科学学报.2018,40(1：99 https://doi..org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.013
充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 叶功勤 曹函 高强 陈裕 孙平贺 张绍和 Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing YE Gong-qin, CAO Han, GAO Qiang, CHEN Yu, SUN Ping-he, ZHANG Shao-he 引用本文: 叶功勤, 曹函, 高强, 陈裕, 孙平贺, 张绍和. 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究[J]. 工程科学学报, 2022, 44(3): 348-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001 YE Gong-qin, CAO Han, GAO Qiang, CHEN Yu, SUN Ping-he, ZHANG Shao-he. Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2022, 44(3): 348-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 缝槽水压爆破破岩载荷实验研究 Experimental study on rock-breaking load in slot-hydraulic blasting 工程科学学报. 2020, 42(9): 1130 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002 充填物对含孔洞大理岩力学特性影响规律试验研究 Experimental study of the influence of the filling material on the mechanical properties of marble with holes 工程科学学报. 2018, 40(7): 776 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002 基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究 Hydraulic fracture prediction theory based on the minimumstrain energy density criterion 工程科学学报. 2019, 41(4): 436 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.003 切缝药包爆破定向裂纹与张开节理相互作用的实验研究 Experimental study of the interaction of directional crack and open joint in slit charge blasting 工程科学学报. 2021, 43(7): 894 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.15.001 综放开采顶煤与覆岩力链结构及演化光弹试验研究 Photoelastic experimental study on the force chain structure and evolution in top coal and overlaying strata under fully mechanized top coal caving mining 工程科学学报. 2017, 39(1): 13 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.002 基于单相LBM模拟大平板反重力充型过程 Simulation of large plate castings in counter-gravity mould filling process based on single-phase LBM 工程科学学报. 2018, 40(1): 99 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.013
工程科学学报.第44卷.第3期：348-356.2022年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.3:348-356,March 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001;http://cje.ustb.edu.cn 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 叶功勤2)，曹函12，)，高强2)，陈裕2，孙平贺2，张绍和2 1)中南大学地球科学与信息物理学院，长沙4100832)有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙4100833)岩土钻掘 与防护教育部工程研究中心，武汉430074 ☒通信作者，E-mail:pinghesun@csu.edu.cn 摘要利用室内自行研制的可调频脉动水力压裂系统及预制充填型单缝的煤岩，开展不同频率条件下水力脉动解堵试验， 研究脉动作用下解堵水压演化过程和解堵效果.试验结果表明，水力脉动解堵压力演化过程可分为三个阶段：压力上升阶 段、压力下降阶段和压力波动稳定阶段.在疲劳损伤和脉动波的双重作用下，脉动作用下的煤岩解堵表现出解堵压力阀值比 定常流作用下更低、压降持续时间更短、压降幅值更小的特点.定常流作用下煤粉运移集中在压力下降阶段：脉动压力作用 下煤粉在压力下降阶段和压力波动稳定阶段均有运移.且压力下降时间与运移煤粉总量成正相关关系，但煤粉总的运移量和 定常流作用下的相当.脉动作用和定常流作用下径向渗透主要发生在压力上升至压力峰值阶段，但脉动流的解堵时间短，则 滤液渗透半径小对储层的伤害小.综合考虑解堵压力、煤粉运移、解堵渗透路径和解堵渗流深度，特别是解堵压力和解堵渗 流深度作为主要评价因素，在3H2条件下解堵效果最好，其具有较低的解堵压力和最小的解堵渗流深度 关键词充填型单缝煤岩：水力脉动：解堵水压：解堵路径：渗流半径 分类号TB337 Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing YE Gong-qin2 CAO Han2),GAO Qiang2),CHEN Yu2),SUN Ping-he2 ZHANG Shao-he2) 1)School of Geosciences and Info-physics,Central South University,Changsha 410083,China 2)Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Ministry of Education),Central South University,Changsha 410083,China 3)Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling Excavation and Protection,Ministry of Education,Wuhan 430074,China Corresponding author,E-mail:pinghesun@csu.edu.cn ABSTRACT As an unconventional natural gas resource,coalbed methane has huge reserves in China and has good prospects for exploitation.During the coalbed methane extraction process,a large amount of coal powder is produced.Coal powder accumulates in fissures and blocks them,which is one of the important factors affecting the permeability of coalbed methane.A hydraulic fracturing system with adjustable frequency pulsation and single-slit filling prefabricated samples were developed for testing coalbed fissure unblocking.Experiments were carried out to study the evolution process of the unblocking pressure and the unblocking effect of pulse action under different frequency conditions.Results show that the evolution process of the unblocking pressure can be divided into three stages:pressure rise phase,decline phase,and pressure fluctuation stability phase.Compared to that,under a steady flow,the pressure threshold under the pulse action is lower,pressure drop duration is shorter,and pressure drop amplitude is smaller.The migration of pulverized coal under the action of steady flow is concentrated in the pressure drop stage.Under the action of pulsating pressure, 收稿日期：2020-10-17 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2020YFC1807200):国家自然科学基金资助项目(41302124)：国土资源部复杂条件钻采技术重点 实验室基金开放课题基金资助项目(EDLF2017)
充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 叶功勤1,2)，曹 函1,2,3)，高 强1,2)，陈 裕1,2)，孙平贺1,2) 苣，张绍和1,2) 1) 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙 410083 2) 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，长沙 410083 3) 岩土钻掘 与防护教育部工程研究中心，武汉 430074 苣通信作者， E-mail：pinghesun@csu.edu.cn 摘 要 利用室内自行研制的可调频脉动水力压裂系统及预制充填型单缝的煤岩，开展不同频率条件下水力脉动解堵试验， 研究脉动作用下解堵水压演化过程和解堵效果. 试验结果表明，水力脉动解堵压力演化过程可分为三个阶段：压力上升阶 段、压力下降阶段和压力波动稳定阶段. 在疲劳损伤和脉动波的双重作用下，脉动作用下的煤岩解堵表现出解堵压力阀值比 定常流作用下更低、压降持续时间更短、压降幅值更小的特点. 定常流作用下煤粉运移集中在压力下降阶段；脉动压力作用 下煤粉在压力下降阶段和压力波动稳定阶段均有运移，且压力下降时间与运移煤粉总量成正相关关系，但煤粉总的运移量和 定常流作用下的相当. 脉动作用和定常流作用下径向渗透主要发生在压力上升至压力峰值阶段，但脉动流的解堵时间短，则 滤液渗透半径小对储层的伤害小. 综合考虑解堵压力、煤粉运移、解堵渗透路径和解堵渗流深度，特别是解堵压力和解堵渗 流深度作为主要评价因素，在 3 Hz 条件下解堵效果最好，其具有较低的解堵压力和最小的解堵渗流深度. 关键词 充填型单缝煤岩；水力脉动；解堵水压；解堵路径；渗流半径 分类号 TB337 Experimental study of the unblocking of coalbed with single-slit filling by pulse hydraulic fracturing YE Gong-qin1,2) ，CAO Han1,2,3) ，GAO Qiang1,2) ，CHEN Yu1,2) ，SUN Ping-he1,2) 苣 ，ZHANG Shao-he1,2) 1) School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China 2) Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring (Ministry of Education), Central South University, Changsha 410083, China 3) Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling & Excavation and Protection, Ministry of Education, Wuhan 430074, China 苣 Corresponding author, E-mail: pinghesun@csu.edu.cn ABSTRACT As an unconventional natural gas resource, coalbed methane has huge reserves in China and has good prospects for exploitation. During the coalbed methane extraction process, a large amount of coal powder is produced. Coal powder accumulates in fissures and blocks them, which is one of the important factors affecting the permeability of coalbed methane. A hydraulic fracturing system with adjustable frequency pulsation and single-slit filling prefabricated samples were developed for testing coalbed fissure unblocking. Experiments were carried out to study the evolution process of the unblocking pressure and the unblocking effect of pulse action under different frequency conditions. Results show that the evolution process of the unblocking pressure can be divided into three stages: pressure rise phase, decline phase, and pressure fluctuation stability phase. Compared to that, under a steady flow, the pressure threshold under the pulse action is lower, pressure drop duration is shorter, and pressure drop amplitude is smaller. The migration of pulverized coal under the action of steady flow is concentrated in the pressure drop stage. Under the action of pulsating pressure, 收稿日期: 2020−10−17 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2020YFC1807200）；国家自然科学基金资助项目（41302124）；国土资源部复杂条件钻采技术重点 实验室基金开放课题基金资助项目（EDLF2017） 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期：348−356，2022 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. 3: 348−356, March 2022 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.17.001; http://cje.ustb.edu.cn
叶功勤等：充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 349· pulverized coal migrates in the pressure drop stage and the pressure fluctuation stable stage.The pressure drop time is positively correlated with the total amount of pulverized coal transported,but the total transport volume of pulverized coal is equivalent to that under the action of steady flow.The fluid infiltration along the radial direction mainly occurs during the pressure rise to the peak pressure.The filtrate penetration radius is smaller due to the shorter unblocking time under the pulsating flow,and the reservoir damage is small.Comprehensively considering the unblocking pressure,coal migration,unblocking seepage path,and unblocking seepage depth, especially the unblocking pressure and unblocking seepage depth,as the main evaluation factors,the best unblocking effect is under the condition of 3 Hz,which has a lower solution KEY WORDS coalbed with sing-slit filling;pulse hydraulic fracture;unblocking pressure;unblocking path;seepage radius 煤层气作为一种非常规天然气资源，在我国 传播是缝隙中低频脉动压力与水力瞬变引起的高 的储量巨大，具有良好的开采前景.煤层气的开采 频脉动共同作用的结果90并且狭小的传播环境 对改善我国能源结构和减少环境污染具有巨大的 增强了波在传播过程的相互作用，使裂隙中某点 促进作用，对我国经济可持续发展也具有重要的 的脉动压力是由裂隙内压力波及其反射波相互叠 意义川煤层气储层具有低压、低渗、低饱和度的 加作用的结果，并会引发压力波的高频震荡和共 特点，所以改善煤层气储层的渗透性能，是提高采 振现象-在应用方面，赵振保)、翟成等、 气量的重要手段四]在煤层气的开采过程中会产生 李贤忠等提出脉动水力压裂，并将其应用于煤 大量的煤粉，煤粉聚集于裂隙中，成为影响煤层气 层增透.同时他们从力学角度出发，认为疲劳损伤 渗透性能的重要因素之一，所以解堵对于提高煤 是脉动水力压裂增透的重要机理.倪冠华等6探 层气的开采效率具有重要意义 讨了从电磁学角度研究脉动水力压裂的可能性， 目前，常用的解堵方式主要为化学解堵和水 提供了不同的研究思路.在此基础上，李全贵等 力解堵.化学解堵是通过表面活性剂改变煤屑与 和陆沛青等刃研究了不同压裂方式和不同参数组 水的界面张力，使得煤屑易于被水携带到地面，达 合对压裂效果的影响 到解堵的目的.而传统的水力解堵是通过高压冲 通过上述的研究可知，目前脉动水力压裂技 出煤屑，以达到解堵的目的.虽然与化学解堵相 术研究主要集中在脉动波的传播和破岩机理上， 比，水力解堵具有更少的污染和更低的成本，但是 以及应用于制造人工裂缝以改善低渗煤层，而 由于过高的解堵压力，该技术仍具有诸如高能耗 对于脉动波频率的影响以及解堵的应用的相关 和低效率等缺点.同时，传统的水力解堵技术所需 研究还基本没有.因此，本文提出了一种通过脉 的高压水泵体积大、泵管要求高.因此，如何降低 动水力压裂将煤层中的岩屑疏松的新方法.对在 临界解堵压力对于煤岩解堵具有重要意义.相比 预制单缝中充满煤屑的煤岩进行了实验，以评估 之下，脉动解堵方法可有效降低解堵压力，且具有 脉动水力对解堵效果的影响.在测试中，测量了 更好的解堵效率，除传统水力压裂引起的楔形破 不同脉动频率下的解堵压力，煤屑的运移情况，并 坏外，脉动压力下煤层的疲劳和累计损伤还增强 观察了渗流路径和渗透半径.最后，基于测试数 了疏松效果 据，探讨了脉动解堵和常规解堵在煤岩中的解堵 水力脉动作用最开始运用于20世纪60年代， 效果 德国某矿井曾利用脉动注水方式来疏松煤层，取 1实验材料和方法 得了良好的效果B20世纪80年代末前苏联和 美国开始着手研究利用振动法改造油层的可能 1.1试验设备 性，取得了相关进展.而后学者们主要从脉动压力 本次试验采用的是自行研制的室内可调频脉 在裂缝中的传播特征和水力脉动应用及其机理 动水力压裂系统（图1）.具有脉冲频率精确可控、 2个方面展开了相关研究 脉动流量符合室内试验要求、脉动效果显著且管 脉动压力在裂缝中的传播十分复杂，会受到 段沿程压力损失小的特点，研究了疏松压力、煤 裂缝形态、脉动信号和边界条件的影响.其中堵 屑运移、疏松痕迹和渗流半径.脉动解堵的过程 塞物和堵塞程度会显著的影响脉动压力的传播路 包括在液固界面上产生的疲劳损伤和楔形损伤， 径而不同的脉动信号效果也不尽相同，如矩 脉动应力波激发的振动会松动煤屑壁，从而迅速 形脉动信号能产生明显的水锤效应脉动波的 解堵并形成渗流路径（如图2所示）
pulverized coal migrates in the pressure drop stage and the pressure fluctuation stable stage. The pressure drop time is positively correlated with the total amount of pulverized coal transported, but the total transport volume of pulverized coal is equivalent to that under the action of steady flow. The fluid infiltration along the radial direction mainly occurs during the pressure rise to the peak pressure. The filtrate penetration radius is smaller due to the shorter unblocking time under the pulsating flow, and the reservoir damage is small. Comprehensively considering the unblocking pressure, coal migration, unblocking seepage path, and unblocking seepage depth, especially the unblocking pressure and unblocking seepage depth, as the main evaluation factors, the best unblocking effect is under the condition of 3 Hz, which has a lower solution. KEY WORDS coalbed with sing-slit filling；pulse hydraulic fracture；unblocking pressure；unblocking path；seepage radius 煤层气作为一种非常规天然气资源，在我国 的储量巨大，具有良好的开采前景. 煤层气的开采 对改善我国能源结构和减少环境污染具有巨大的 促进作用，对我国经济可持续发展也具有重要的 意义[1] . 煤层气储层具有低压、低渗、低饱和度的 特点，所以改善煤层气储层的渗透性能，是提高采 气量的重要手段[2] . 在煤层气的开采过程中会产生 大量的煤粉，煤粉聚集于裂隙中，成为影响煤层气 渗透性能的重要因素之一. 所以解堵对于提高煤 层气的开采效率具有重要意义. 目前，常用的解堵方式主要为化学解堵和水 力解堵. 化学解堵是通过表面活性剂改变煤屑与 水的界面张力，使得煤屑易于被水携带到地面，达 到解堵的目的. 而传统的水力解堵是通过高压冲 出煤屑，以达到解堵的目的. 虽然与化学解堵相 比，水力解堵具有更少的污染和更低的成本，但是 由于过高的解堵压力，该技术仍具有诸如高能耗 和低效率等缺点. 同时，传统的水力解堵技术所需 的高压水泵体积大、泵管要求高. 因此，如何降低 临界解堵压力对于煤岩解堵具有重要意义. 相比 之下，脉动解堵方法可有效降低解堵压力，且具有 更好的解堵效率. 除传统水力压裂引起的楔形破 坏外，脉动压力下煤层的疲劳和累计损伤还增强 了疏松效果. 水力脉动作用最开始运用于 20 世纪 60 年代， 德国某矿井曾利用脉动注水方式来疏松煤层，取 得了良好的效果[3−4] . 20 世纪 80 年代末前苏联和 美国开始着手研究利用振动法改造油层的可能 性，取得了相关进展. 而后学者们主要从脉动压力 在裂缝中的传播特征和水力脉动应用及其机理 2 个方面展开了相关研究. 脉动压力在裂缝中的传播十分复杂，会受到 裂缝形态、脉动信号和边界条件的影响. 其中堵 塞物和堵塞程度会显著的影响脉动压力的传播路 径[5−6] . 而不同的脉动信号效果也不尽相同，如矩 形脉动信号能产生明显的水锤效应[7−8] . 脉动波的 传播是缝隙中低频脉动压力与水力瞬变引起的高 频脉动共同作用的结果[9−10] . 并且狭小的传播环境 增强了波在传播过程的相互作用，使裂隙中某点 的脉动压力是由裂隙内压力波及其反射波相互叠 加作用的结果，并会引发压力波的高频震荡和共 振现象[11−12] . 在应用方面，赵振保[13]、翟成等[14]、 李贤忠等[15] 提出脉动水力压裂，并将其应用于煤 层增透. 同时他们从力学角度出发，认为疲劳损伤 是脉动水力压裂增透的重要机理. 倪冠华等[16] 探 讨了从电磁学角度研究脉动水力压裂的可能性， 提供了不同的研究思路. 在此基础上，李全贵等[8] 和陆沛青等[17] 研究了不同压裂方式和不同参数组 合对压裂效果的影响. 通过上述的研究可知，目前脉动水力压裂技 术研究主要集中在脉动波的传播和破岩机理上， 以及应用于制造人工裂缝以改善低渗煤层，而 对于脉动波频率的影响以及解堵的应用的相关 研究还基本没有. 因此，本文提出了一种通过脉 动水力压裂将煤层中的岩屑疏松的新方法. 对在 预制单缝中充满煤屑的煤岩进行了实验，以评估 脉动水力对解堵效果的影响. 在测试中，测量了 不同脉动频率下的解堵压力，煤屑的运移情况，并 观察了渗流路径和渗透半径. 最后，基于测试数 据，探讨了脉动解堵和常规解堵在煤岩中的解堵 效果. 1 实验材料和方法 1.1 试验设备 本次试验采用的是自行研制的室内可调频脉 动水力压裂系统（图 1）. 具有脉冲频率精确可控、 脉动流量符合室内试验要求、脉动效果显著且管 段沿程压力损失小的特点. 研究了疏松压力、煤 屑运移、疏松痕迹和渗流半径. 脉动解堵的过程 包括在液固界面上产生的疲劳损伤和楔形损伤， 脉动应力波激发的振动会松动煤屑壁，从而迅速 解堵并形成渗流路径（如图 2 所示）. 叶功勤等： 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 · 349 ·
350 工程科学学报，第44卷，第3期 Pressure gauge Accumulator Solenoid valve Flow Water F3 Valver tank Control terminal Stop plate Pump 40 mm 300mm 120mm Fissure 1.5mm Coal sample FI V Monitor 300mm pressure Output tube and flow Beaker 图1水力脉动解堵试验系统 Fig.1 Pulse hydraulic unblocking test system Soild liquid interface AAy Stress waves Vibration makes coal powder loosen Pulse signal Fluid Fracturing fluid Coal cuttings Fatigue damage 图2水力脉动解堵机理示意图 Fig.2 Schematic diagram of the unblocking mechanism with pulse hydraulic fracturing 脉动压裂系统（图1）由脉动控制模块、注液 1.2试样制备 模块和监测模块组成.脉动控制模块(F1,F2,F3) 本次试验采用的是人工制作的煤岩相似样 包含控制端和电磁阀.控制端通过脉动信号来控 而煤岩原岩来源于湘西北露天矿床，属于二叠系 制电磁阀的交替工作，以精确地获得脉动频率， 龙潭煤系开挖剖面的低阶煤岩（厚度为120m).煤 最大精度为0.02Hz.注液模块包含泵、缓冲器和 岩相似样以胶结材料（石膏和水泥）、石英砂、煤 水箱，以提供稳定的注液流量，其最大输出液量 粉为原料，其材料质量比值为m(胶结材料)：m(石 为80Lh,精度为0.1mLs.在整个实验过程 英砂)：m(煤粉=1：0.83：1.17.制备的煤岩相似 中，使用监控模块测量流量、解堵压力和煤粉运 样兼顾物理力学性质与原煤岩性能的相似性，相 移量 关物理参数见表1 表1 原岩和相似岩样物理参数比较 Table 1 Comparison of physical parameters of the original rock and of similar rock samples Unconfined Medium Tensile Elastic 12 h expansion compressive Poisson's ratio Friction angle/() Cohesion/MPa strength/MPa strength/MPa modulus/GPa rate/% Coal rock 6.41-9.05 0.687-0.716 0.19-0.24 1.37-3.86 18.27-33.8 0.982-1.34 0.35-0.80 Similar sample 7.45 0.58 0.237 3.92 21.55 1.63 0.20 制备的试样尺寸为300mm×300mm×120mm, 120mm的平直裂缝，裂缝贯穿至岩样表面，裂缝形 共制作7组并预先在试样中部设置长120mm×1.5mm× 态与注液方向平行.之后对试样的预制单缝进行煤
脉动压裂系统（图 1）由脉动控制模块、注液 模块和监测模块组成. 脉动控制模块 (F1,F2,F3) 包含控制端和电磁阀. 控制端通过脉动信号来控 制电磁阀的交替工作，以精确地获得脉动频率， 最大精度为 0.02 Hz. 注液模块包含泵、缓冲器和 水箱，以提供稳定的注液流量，其最大输出液量 为 80 L·h−1，精度为 0.1 mL·s−1 . 在整个实验过程 中，使用监控模块测量流量、解堵压力和煤粉运 移量. 1.2 试样制备 本次试验采用的是人工制作的煤岩相似样. 而煤岩原岩来源于湘西北露天矿床，属于二叠系 龙潭煤系开挖剖面的低阶煤岩（厚度为 120 m）. 煤 岩相似样以胶结材料（石膏和水泥）、石英砂、煤 粉为原料，其材料质量比值为 m(胶结材料)∶m(石 英砂)∶m(煤粉)=1∶0.83∶1.17. 制备的煤岩相似 样兼顾物理力学性质与原煤岩性能的相似性，相 关物理参数见表 1. 表 1 原岩和相似岩样物理参数比较 Table 1 Comparison of physical parameters of the original rock and of similar rock samples Medium Unconfined compressive strength/MPa Tensile strength/MPa Poisson’s ratio Elastic modulus/GPa Friction angle/(°) Cohesion/MPa 12 h expansion rate/% Coal rock 6.41–9.05 0.687–0.716 0.19–0.24 1.37–3.86 18.27–33.8 0.982–1.34 0.35–0.80 Similar sample 7.45 0.58 0.237 3.92 21.55 1.63 0.20 制备的试样尺寸为 300 mm×300 mm×120 mm， 共制作7 组. 并预先在试样中部设置长120 mm×1.5 mm× 120 mm 的平直裂缝，裂缝贯穿至岩样表面，裂缝形 态与注液方向平行. 之后对试样的预制单缝进行煤 Pressure gauge Buffer Accumulator 300 mm 120 mm 120 mm 1.5 mm 40 mm Stop plate Coal sample Output tube Beaker Fissure 300 mm Solenoid valve Control terminal Monitor pressure and flow F2 Valve F3 Valve F1 Valve Pump Flow gauge Water tank Overflow valve 图 1 水力脉动解堵试验系统 Fig.1 Pulse hydraulic unblocking test system Soild liquid interface Stress waves Vibration makes coal powder loosen Coal cuttings Fatigue damage Fracturing fluid Fluid Pulse signal 图 2 水力脉动解堵机理示意图 Fig.2 Schematic diagram of the unblocking mechanism with pulse hydraulic fracturing · 350 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期
叶功勤等：充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 351· 粉充填，模拟裂隙被煤粉充填受堵的状态，最后完 匀，将煤粉分三次充填.充填过程中先用细刷和1mm 成预制裂缝一侧贯通面密封（图3）.煤岩通过粉碎 直径钢丝将煤粉沿裂隙长轴均匀送至孔内，然后采 机打成粉末，并采用土工筛进行筛选以保证煤粉 用厚度l.5mm带刻度钢尺进行压实，确保每次煤 粒径≤0.5mm.为了保证煤粉在缝内充填紧实均 份压实深度为4cm.如此三次后，完成煤粉充填 Stop plate 40 Coal 120 Fissure cuttings 1.5 Output tube Output J tube 300 120 Top view Side view 图3煤粉充填后的试样和示意图（单位：mm) Fig.3 Sample with coal filling and its schematic diagram (unit:mm) 1.3试验方案 本次实验采用可调频脉动注液系统对试样开 展脉动压力解堵试验.选择清洁压裂液体系作为 水力解堵介质，压裂液黏度为l5mPas,注液速度 控制在10mLs,解堵总时间为60s:据前期研究 和同课题组人员论证8-20，选择适于该煤岩储层 的3组低频脉冲频率(1,3和5Hz)和1组定常液 图4煤粉收集(a)和烘干(b) 注液(0Hz),相关参数见表2 Fig.4 Coal cutting collection (a)and drying (b) 表2解堵试验参数设置 2试验结果及分析 Table 2 Unblocking test scheme 2.1解堵压力曲线分析 Number Frequency/ Vertical sealing Horizontal lateral Test Hz pressure/MPa pressure /MPa groups 如图5(a)所示，定常流解堵压力曲线的特点 1 0 1.5 0.5 1 为曲线随时间变化分为三个阶段.压力上升阶段： 2 1.5 0.5 压裂液持续输入煤粉充填的裂隙中，由于煤粉碎 3 3 1.5 0.5 2 屑的充填阻碍了压裂液的渗透，使压力持续上升， 1.5 0.5 2 当上升压力克服煤粉碎屑阻力时，压力曲线进入 第二阶段.压力阶梯下降阶段：在流体压力的持续 在设置相关参数后，进行试验.将试件装入试 推动下，碎屑物沿裂隙向远端导流孔逐渐运移，形 验台，在导流管后接软管通入烧杯中，用以盛放解 成主要渗流通路后缝内压力衰落.第三个阶段：形 堵试验过程中运移的煤粉.在试验开始前调整注 成稳定的渗流路径，压力波动稳定 液系统的平均输出流量为10mLs,开始试验时 图5(b)~图5(d)为解堵试验进行60s的脉动 同时采集流体的压力数据，并控制解堵注液时间 解堵压力曲线.从图中可以看出，脉动解堵压力随 为60s. 时间的变化也可分为三个阶段：压力上升阶段、压 试验完成后，取出烧杯，记录下质量.然后将 力下降阶段和压力波动稳定阶段.其对应解堵过 烧杯放在加热炉上先进行初次蒸干，再放入烘箱 程的三个阶段：流体充满但未形成通路，在裂隙中 在105℃条件下烘干4h,称量解堵运移出的煤粉 憋压：形成渗流通路，煤粉随压裂液流出，压力快 质量.并且在试验完成的同时，取下试验台上的试 速下降：脉冲流体形成稳定渗流通路，脉动压力波 件，对其缝内煤粉运移状态进行记录（图4）. 动稳定.这与定常流下压力变化趋势相似，但脉动
粉充填，模拟裂隙被煤粉充填受堵的状态，最后完 成预制裂缝一侧贯通面密封（图 3）. 煤岩通过粉碎 机打成粉末，并采用土工筛进行筛选以保证煤粉 粒径≦0.5 mm. 为了保证煤粉在缝内充填紧实均 匀，将煤粉分三次充填. 充填过程中先用细刷和 1 mm 直径钢丝将煤粉沿裂隙长轴均匀送至孔内，然后采 用厚度 1.5 mm 带刻度钢尺进行压实，确保每次煤 份压实深度为 4 cm. 如此三次后，完成煤粉充填. Flow direction 1.5 Fissure Output tube Output tube Coal cuttings Stop plate 40 120 120 120 300 Top view Side view 300 图 3 煤粉充填后的试样和示意图（单位：mm） Fig.3 Sample with coal filling and its schematic diagram (unit: mm) 1.3 试验方案 本次实验采用可调频脉动注液系统对试样开 展脉动压力解堵试验. 选择清洁压裂液体系作为 水力解堵介质，压裂液黏度为 15 mPa·s，注液速度 控制在 10 mL·s−1，解堵总时间为 60 s；据前期研究 和同课题组人员论证[18−20] ，选择适于该煤岩储层 的 3 组低频脉冲频率（1，3 和 5 Hz）和 1 组定常液 注液（0 Hz），相关参数见表 2. 表 2 解堵试验参数设置 Table 2 Unblocking test scheme Number Frequency/ Hz Vertical sealing pressure/MPa Horizontal lateral pressure /MPa Test groups 1 0 1.5 0.5 1 2 1 1.5 0.5 2 3 3 1.5 0.5 2 4 5 1.5 0.5 2 在设置相关参数后，进行试验. 将试件装入试 验台，在导流管后接软管通入烧杯中，用以盛放解 堵试验过程中运移的煤粉. 在试验开始前调整注 液系统的平均输出流量为 10 mL·s−1，开始试验时 同时采集流体的压力数据，并控制解堵注液时间 为 60 s. 试验完成后，取出烧杯，记录下质量. 然后将 烧杯放在加热炉上先进行初次蒸干，再放入烘箱 在 105 ℃ 条件下烘干 4 h，称量解堵运移出的煤粉 质量. 并且在试验完成的同时，取下试验台上的试 件，对其缝内煤粉运移状态进行记录（图 4）. 2 试验结果及分析 2.1 解堵压力曲线分析 如图 5（a）所示，定常流解堵压力曲线的特点 为曲线随时间变化分为三个阶段. 压力上升阶段： 压裂液持续输入煤粉充填的裂隙中，由于煤粉碎 屑的充填阻碍了压裂液的渗透，使压力持续上升， 当上升压力克服煤粉碎屑阻力时，压力曲线进入 第二阶段. 压力阶梯下降阶段：在流体压力的持续 推动下，碎屑物沿裂隙向远端导流孔逐渐运移，形 成主要渗流通路后缝内压力衰落. 第三个阶段：形 成稳定的渗流路径，压力波动稳定. 图 5（b）～图 5（d）为解堵试验进行 60 s 的脉动 解堵压力曲线. 从图中可以看出，脉动解堵压力随 时间的变化也可分为三个阶段：压力上升阶段、压 力下降阶段和压力波动稳定阶段. 其对应解堵过 程的三个阶段：流体充满但未形成通路，在裂隙中 憋压；形成渗流通路，煤粉随压裂液流出，压力快 速下降；脉冲流体形成稳定渗流通路，脉动压力波 动稳定. 这与定常流下压力变化趋势相似，但脉动 (a) (b) 图 4 煤粉收集（a）和烘干（b） Fig.4 Coal cutting collection (a) and drying (b) 叶功勤等： 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 · 351 ·
352 工程科学学报，第44卷，第3期 800 (a) (b) 600 600 ed/ain 400 400 200 200 30405060 70 10 2030405060 70 Time/s Time/s 350 (c) (d) 40( 300 250 300 200 200 150 100 100 10 20 304050 60 70 1020 30405060 70 Time/s Time/s 图5解堵压力曲线.(a)0Hz压力曲线：(b)1Hz压力曲线：(c)3Hz压力曲线：(d)5Hz压力曲线 Fig.5 Unblocking pressure curve:(a)0 Hz pressure curve;(b)1 Hz pressure curve;(c)3 Hz pressure curve;(d)5 Hz pressure curve 压力作用下解堵压力的阀值低于定常流作用下的 解堵压力减小.疲劳损伤D与交替应力σ1，σ2之间 压力阀值：压力在下降过程中的压降速率较小；压 的关系可以表示为： 降后呈现稳定的压力波动状态 D→dr1 (2) 从表3中可以看出，随频率的增加压力峰值降 2 低，压降幅度变小，压降时间变短.在脉动压力解 式中，d表示σ应力水平下的损伤核数，r1表示裂隙 堵过程中，疲劳累计损伤作用和脉动波的振荡作 扩展系数，Nr表示总循环次数，a,b表示实验常数. 用是两大重要的主导因素叫.在重复、循环或交变 根据上述公式可知，煤粉的累计损伤受到交 的载荷作用下，压裂液对煤粉进行反复的冲击，产 变应力和循环次数的控制.要达到相同的损伤，交 生交变应力从而达到疲劳破坏的效果2-2交变 变应力的比值与循环总数成反比，同时N为时间 载荷作用下岩石的强度和变形规律与静载荷作用 和频率的函数.这就表明单位时间内随着频率的 下存在明显差距，这使得在脉动压力作用下只需 提高交变应力比值减小，解堵压力降低.同样，交 达到较低的压力门槛值，即可产生定常流作用下 变应力比值越低，N越大.则在压力曲线中表现出 较高压力的解堵效果24-2.脉动作用下的脉动压 到达峰值压力的时间与频率的乘积随频率增加而 力随时间而变化，其脉动压力可以表示为： 增加（表3） o()=Asin(2πft+p)+B (1) 同时，应力波在煤屑中的传播伴随着能量的 式中，)表示脉动压力，f表示频率，t表示时间， 传递.脉动应力波激发的振动使煤屑松动，进一步 A,B,p表示常数. 削弱了煤屑的黏结强度，降低了解堵压力.脉动波 在脉动解堵过程中，压力交替变化产生疲劳 的传播过程可以用等式(3)表示，它显示了不同位 损伤作用，并表现出非线性特征.通过交变应力的 移处的波形与平衡位置和时间的关系.而等式(4) 非线性疲劳模型Corten-Dolan模型来描述脉动解 表示单位体积的能量随时间和位置而变化关系 堵过程中的疲劳损伤作用.在每个脉动周期中波 通过等式(4)表明在恒定振幅下，频率控制着脉动 的波峰和波谷的压力分别等于Corten-Dolan模型 能量的大小.单位体积的最大能量与频率的平方 中的σ1和σ2（σ1>σ2）.在压力升高阶段，由于多重 成正比使得最大解堵压力随着脉动频率的增加而 应力引起的疲劳破坏，会使煤屑的强度降低，导致 降低，这也与实验结果相符合
压力作用下解堵压力的阀值低于定常流作用下的 压力阀值；压力在下降过程中的压降速率较小；压 降后呈现稳定的压力波动状态. 从表 3 中可以看出，随频率的增加压力峰值降 低，压降幅度变小，压降时间变短. 在脉动压力解 堵过程中，疲劳累计损伤作用和脉动波的振荡作 用是两大重要的主导因素[21] . 在重复、循环或交变 的载荷作用下，压裂液对煤粉进行反复的冲击，产 生交变应力从而达到疲劳破坏的效果[22−23] . 交变 载荷作用下岩石的强度和变形规律与静载荷作用 下存在明显差距. 这使得在脉动压力作用下只需 达到较低的压力门槛值，即可产生定常流作用下 较高压力的解堵效果[24−26] . 脉动作用下的脉动压 力随时间而变化，其脉动压力可以表示为： σ(t) = Asin(2π f t+φ)+ B （1） σ(t) f A,B,φ 式中， 表示脉动压力， 表示频率，t 表示时间， 表示常数. σ1 σ2 σ1 > σ2 在脉动解堵过程中，压力交替变化产生疲劳 损伤作用，并表现出非线性特征. 通过交变应力的 非线性疲劳模型 Corten-Dolan 模型来描述脉动解 堵过程中的疲劳损伤作用. 在每个脉动周期中波 的波峰和波谷的压力分别等于 Corten-Dolan 模型 中的 和 ( ). 在压力升高阶段，由于多重 应力引起的疲劳破坏，会使煤屑的强度降低，导致 解堵压力减小. 疲劳损伤 D 与交替应力σ1，σ2 之间 的关系可以表示为： D → d1r1 ( σ1 σ2 )a Nf b （2） d1 σ1 r1 Nf a,b 式中， 表示 应力水平下的损伤核数， 表示裂隙 扩展系数， 表示总循环次数， 表示实验常数. Nf Nf 根据上述公式可知，煤粉的累计损伤受到交 变应力和循环次数的控制. 要达到相同的损伤，交 变应力的比值与循环总数成反比，同时 为时间 和频率的函数. 这就表明单位时间内随着频率的 提高交变应力比值减小，解堵压力降低. 同样，交 变应力比值越低， 越大. 则在压力曲线中表现出 到达峰值压力的时间与频率的乘积随频率增加而 增加（表 3）. 同时，应力波在煤屑中的传播伴随着能量的 传递. 脉动应力波激发的振动使煤屑松动，进一步 削弱了煤屑的黏结强度，降低了解堵压力. 脉动波 的传播过程可以用等式（3）表示，它显示了不同位 移处的波形与平衡位置和时间的关系. 而等式（4） 表示单位体积的能量随时间和位置而变化关系. 通过等式（4）表明在恒定振幅下，频率控制着脉动 能量的大小. 单位体积的最大能量与频率的平方 成正比使得最大解堵压力随着脉动频率的增加而 降低，这也与实验结果相符合. 800 (a) 600 400 200 0 10 20 30 Time/s Pressure/kPa 40 50 60 70 (c) 400 300 200 100 0 10 20 30 Time/s Pressure/kPa 40 50 60 70 (d) 350 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 Time/s Pressure/kPa 40 50 60 70 (b) 600 400 200 Time/s Pressure/kPa 0 10 20 30 40 50 60 70 图 5 解堵压力曲线. （a）0 Hz 压力曲线；（b）1 Hz 压力曲线；（c）3 Hz 压力曲线；（d）5 Hz 压力曲线 Fig.5 Unblocking pressure curve: (a) 0 Hz pressure curve; (b) 1 Hz pressure curve; (c) 3 Hz pressure curve; (d) 5 Hz pressure curve · 352 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期
叶功勤等：充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 353· 表3不同频率解堵压力参数 Table3 Unblocking pressure under different frequencies Frequency/Hz Steady fluctuation Critical unblocking Pressure drop Pressure drop Pressure rise ft per pressure/kPa pressure/kPa amplitude/kPa duration/s duration/s cycle 0 146.6 735.6 592.0 9.7 12.52 451.9 615.7 163.8 5.6 7.73 7.73 237.4 381.0 143.6 2.7 6.32 18.96 5 165.2 291.3 126.1 4.8 9.98 49.90 -ccos() (3) 粉的运移主要维持在压力下降阶段.在压力衰减 至维持稳定后，导流管流出的压裂液成色清澈，只 W=wx+wp=p(AV)C2Psin2f(-) (4) 携带少量的煤粉（图6）.脉动流体在压力波动稳定 期，仍有煤粉持续运移出导流管，其煤粉运移过程 式中：W表示脉冲过程产生的总能；表示质点位 延续时间较定常流试验的延续时间长.这是因为 移：C表示振幅：f表示频率；x,表示质点位置和波 在压裂后期尽管已经形成稳定通路，但是脉动水 速；w,wn表示单位体积的动能和势能；p(△)表示 流仍然能形成脉动波，使裂隙周围煤粉松动剥落 单位体积的密度 被压裂液携出.而定常流在形成稳定通路之后，压 2.2煤粉运移过程分析 裂液对煤粉的渗透挤压作用消失，压裂液从渗流 在煤粉的运移过程中，定常流作用下缝内煤 通道直接流出，所以不能持续的带出煤粉 (a) (b) (c) 图6解堵过程中煤粉运移情况.(a)定常流压力下降期：(b)定常流压力衰减后：(c)脉冲流压力波动期 Fig.6 Coal powder migration in the unblocking process:(a)period of steady flow pressure drop;(b)after the steady flow pressure decays;(c)pulse flow pressure fluctuation period 尽管脉冲流体的煤粉运移时间更长，但是从 移煤粉的量大：而脉冲流的流体具有波动变化，在 携带出的煤粉质量来看（见图7），脉动频率1Hz 脉动作用下解堵压力阀值较低，第二阶段的压力 时带出的煤粉最多，高于定常流带出的煤粉，而在 下降延续时间短，煤粉运移量相对定常流作用下 3Hz、5Hz时比定常流时少.对比两种作用可以看 的第二阶段较少，但在第三阶段脉动作用下仍有 出，在本试验条件下，脉冲流体在煤粉运移量上与 煤粉运移出来，整体来看定常流和脉动流体运移 定常流相比并没有优势 量相当.脉动作用下的煤粉运移量函数可表示为： 根据煤粉的运移过程来看，无论是脉动流还 G(t)=n[gini(to,p)+8swi(t-to,Ap)](5) 是定常流，煤粉被大量运移都主要发生在压力下 式中，G(t)为煤粉运移总量：6表示脉冲初始阶段 降阶段.在煤粉的压力波动稳定阶段，定常流基本 时长；gm表示峰值期运移量；g表示波动期运移 无煤粉继续运移出来，而脉动流体仍有煤粉继续 量；n为与充填碎屑黏结强度有关的系数；△p表示 运移出来，但量不大 压降幅值.从公式来看，煤粉运移受到时间和压力 结合脉动压力曲线和实验现象对比分析，煤 变化的双重控制，其中压降时间是主要控制因素， 粉的运移主要是受压力下降和压力峰值的影响.在 煤粉运移质量也与其呈现良好的相关性（图8） 定常流流体对缝内煤粉产生渗透挤压作用，其解 2.3充填裂隙解堵路径 堵压力阀值高，压力梯度大，运移速度快，瞬时运 在解堵试验完成后，取下试件，分别沿预制裂
ξ = Ccos( t− x v ) （3） W = wk +wp = ρ(∆V)C 2 f 2 sin2 f ( t− x v ) （4） ξ f x, v wk,wp 式中：W 表示脉冲过程产生的总能； 表示质点位 移；C 表示振幅； 表示频率； 表示质点位置和波 速； 表示单位体积的动能和势能；ρ（ΔV）表示 单位体积的密度. 2.2 煤粉运移过程分析 在煤粉的运移过程中，定常流作用下缝内煤 粉的运移主要维持在压力下降阶段. 在压力衰减 至维持稳定后，导流管流出的压裂液成色清澈，只 携带少量的煤粉（图 6）. 脉动流体在压力波动稳定 期，仍有煤粉持续运移出导流管，其煤粉运移过程 延续时间较定常流试验的延续时间长. 这是因为 在压裂后期尽管已经形成稳定通路，但是脉动水 流仍然能形成脉动波，使裂隙周围煤粉松动剥落 被压裂液携出. 而定常流在形成稳定通路之后，压 裂液对煤粉的渗透挤压作用消失，压裂液从渗流 通道直接流出，所以不能持续的带出煤粉. (a) (b) (c) 图 6 解堵过程中煤粉运移情况. （a）定常流压力下降期；（b）定常流压力衰减后；（c）脉冲流压力波动期 Fig.6 Coal powder migration in the unblocking process: (a) period of steady flow pressure drop; (b) after the steady flow pressure decays; (c) pulse flow pressure fluctuation period 尽管脉冲流体的煤粉运移时间更长，但是从 携带出的煤粉质量来看（见图 7），脉动频率 1 Hz 时带出的煤粉最多，高于定常流带出的煤粉，而在 3 Hz、5 Hz 时比定常流时少. 对比两种作用可以看 出，在本试验条件下，脉冲流体在煤粉运移量上与 定常流相比并没有优势. 根据煤粉的运移过程来看，无论是脉动流还 是定常流，煤粉被大量运移都主要发生在压力下 降阶段. 在煤粉的压力波动稳定阶段，定常流基本 无煤粉继续运移出来，而脉动流体仍有煤粉继续 运移出来，但量不大. 结合脉动压力曲线和实验现象对比分析，煤 粉的运移主要是受压力下降和压力峰值的影响. 在 定常流流体对缝内煤粉产生渗透挤压作用，其解 堵压力阀值高，压力梯度大，运移速度快，瞬时运 移煤粉的量大；而脉冲流的流体具有波动变化，在 脉动作用下解堵压力阀值较低，第二阶段的压力 下降延续时间短，煤粉运移量相对定常流作用下 的第二阶段较少，但在第三阶段脉动作用下仍有 煤粉运移出来，整体来看定常流和脉动流体运移 量相当. 脉动作用下的煤粉运移量函数可表示为： G(t) = n [ gini(t0, p)+gswi(t−t0,∆p) ] （5） 式中，G（t）为煤粉运移总量；t0 表示脉冲初始阶段 时长；gini 表示峰值期运移量；gswi 表示波动期运移 量；n 为与充填碎屑黏结强度有关的系数；Δp 表示 压降幅值. 从公式来看，煤粉运移受到时间和压力 变化的双重控制，其中压降时间是主要控制因素， 煤粉运移质量也与其呈现良好的相关性（图 8）. 2.3 充填裂隙解堵路径 在解堵试验完成后，取下试件，分别沿预制裂 表 3 不同频率解堵压力参数 Table 3 Unblocking pressure under different frequencies Frequency/Hz Steady fluctuation pressure/kPa Critical unblocking pressure/kPa Pressure drop amplitude/kPa Pressure drop duration/s Pressure rise duration/s f·t per cycle 0 146.6 735.6 592.0 9.7 12.52 1 451.9 615.7 163.8 5.6 7.73 7.73 3 237.4 381.0 143.6 2.7 6.32 18.96 5 165.2 291.3 126.1 4.8 9.98 49.90 叶功勤等： 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 · 353 ·
354 工程科学学报，第44卷，第3期 10 25 ■Transport quality 19,56 -Quality rate 17.46 20 15.68 1597 6 Frequency/Hz 图7不同颜率下煤粉运移质量 图9不同频率下解堵路径.(a)0Hz液流路径：(b)1Hz液流路径： Fig.7 Coal cutting mass transported at various frequencies (c)3Hz液流路径：(d)5Hz液流路径 26 Fig.9 Unblocking path at different frequencies:(a)0 Hz liquid flow 12 ▲-Preeure drop during ◆Migration quality 24 path;(b)1 Hz liquid flow path;(c)3 Hz liquid flow path;(d)5 Hz liquid flow path High correlation 8 20 裂液沿径向渗透状态，在充填型裂隙的解堵过程 6 中，压裂液向裂缝周围发生渗透，从图中可以看出 4 各频率下压裂液沿裂隙壁面的渗透深度分别约 2 为：0Hz为20mm、1Hz为10mm、3Hz为5mm、 5Hz为10mm.由此可见，定常流作用的解堵过 Frequency/Hz 程，其压裂液渗透半径高于脉冲流的渗透半径 国8压降时间与煤粉运移质量曲线 Fig.8 Curve of the pressure drop time and coal cutting transport quality 隙长轴方向劈开，观察解堵过程中煤粉的运移通 道：沿垂直预制裂隙走向方向截断，观察解堵过程 (d) 中压裂液在裂隙周围沿径向的渗透半径，用以分 析充填裂隙的解堵状态 如图9所示，定常流作用下，压裂液慢流于裂 图10不同颜率下渗透状态.(a)0Hz渗透状态：(b)1Hz渗透状态： 隙中，并朝着受力薄弱点渗透推进，所以压裂液的 (c)3Hz渗透状态：(d)5Hz渗透状态 液流路径复杂曲折.而脉动作用下，压裂液的脉动 Fig.10 Seepage radius at different frequencies:(a)0 Hz penetration 压力对煤粉具有冲击作用，脉动波在流体中的传 state;(b)1 Hz penetration state;(c)3 Hz penetration state;(d)5 Hz 播加强流体对流固界面的破坏作用，同时应力波 penetration state 的传播使得煤粉发生振动进而使煤粉松动，使得 压裂液的渗透作用受到解堵状态和压力梯度 压裂液在裂隙中的渗入更具有方向性、速度也更 的控制.在煤岩解堵的第一个阶段，缝内压力逐渐 快，所以脉动作用下的渗流路径更加平直.根据相 升高，压裂液逐渐向裂隙内充填的煤粉渗透润湿， 关研究表明，脉动波在传播过程中会发生反射和 然后继续向周围壁面渗透.当缝内煤粉逐渐被挤 叠加.脉动波的反射叠加会导致煤岩局部位置出 压，直至液流路径导通后，愍压状态逐渐缓解，渗 现应力集中或降低的现象，这使得脉动作用下 透作用减弱.因而在裂隙的解堵过程中，压裂液的 的渗流路径宽度变化十分剧烈.在应力波干涉叠 渗透主要发生在压力上升至压力峰值阶段.对比 加相增位置渗流路径变宽，应力波干涉叠加相消 于定常流解堵，脉动流解堵的液体通路形成时间 位置路径变窄；而定常流作用下为稳定流，无干涉 更早，即裂缝内憋压时间更短，引起的压裂液渗透 现象，所以渗流路径宽度变化较小 时间短，因而形成的渗透半径更小.此外，定长流 2.4压裂液沿径向的渗流状态 作用下压力梯度比脉动作用下的压力梯度更高， 如图10所示，为垂直预制裂缝剖开后显示压 根据相关研究，压力梯度更高，压裂液在试样中的
隙长轴方向劈开，观察解堵过程中煤粉的运移通 道；沿垂直预制裂隙走向方向截断，观察解堵过程 中压裂液在裂隙周围沿径向的渗透半径，用以分 析充填裂隙的解堵状态. 如图 9 所示，定常流作用下，压裂液慢流于裂 隙中，并朝着受力薄弱点渗透推进，所以压裂液的 液流路径复杂曲折. 而脉动作用下，压裂液的脉动 压力对煤粉具有冲击作用，脉动波在流体中的传 播加强流体对流固界面的破坏作用，同时应力波 的传播使得煤粉发生振动进而使煤粉松动，使得 压裂液在裂隙中的渗入更具有方向性、速度也更 快，所以脉动作用下的渗流路径更加平直. 根据相 关研究表明，脉动波在传播过程中会发生反射和 叠加. 脉动波的反射叠加会导致煤岩局部位置出 现应力集中或降低的现象[7−8] ，这使得脉动作用下 的渗流路径宽度变化十分剧烈. 在应力波干涉叠 加相增位置渗流路径变宽，应力波干涉叠加相消 位置路径变窄；而定常流作用下为稳定流，无干涉 现象，所以渗流路径宽度变化较小. 2.4 压裂液沿径向的渗流状态 如图 10 所示，为垂直预制裂缝剖开后显示压 裂液沿径向渗透状态. 在充填型裂隙的解堵过程 中，压裂液向裂缝周围发生渗透，从图中可以看出 各频率下压裂液沿裂隙壁面的渗透深度分别约 为 ：0 Hz 为 20 mm、1 Hz 为 10 mm、3 Hz 为 5 mm、 5 Hz 为 10 mm. 由此可见，定常流作用的解堵过 程，其压裂液渗透半径高于脉冲流的渗透半径. (d) (a) (c) (b) 图 10 不同频率下渗透状态. （a）0 Hz 渗透状态；（b）1 Hz 渗透状态； （c）3 Hz 渗透状态；（d）5 Hz 渗透状态 Fig.10 Seepage radius at different frequencies: (a) 0 Hz penetration state; (b) 1 Hz penetration state; (c) 3 Hz penetration state; (d) 5 Hz penetration state 压裂液的渗透作用受到解堵状态和压力梯度 的控制. 在煤岩解堵的第一个阶段，缝内压力逐渐 升高，压裂液逐渐向裂隙内充填的煤粉渗透润湿， 然后继续向周围壁面渗透. 当缝内煤粉逐渐被挤 压，直至液流路径导通后，憋压状态逐渐缓解，渗 透作用减弱. 因而在裂隙的解堵过程中，压裂液的 渗透主要发生在压力上升至压力峰值阶段. 对比 于定常流解堵，脉动流解堵的液体通路形成时间 更早，即裂缝内憋压时间更短，引起的压裂液渗透 时间短，因而形成的渗透半径更小. 此外，定长流 作用下压力梯度比脉动作用下的压力梯度更高， 根据相关研究，压力梯度更高，压裂液在试样中的 10 8 6 4 2 0 25 20 17.46 19.56 15.68 15.97 15 10 5 0 0 1 Frequency/Hz Quality rate/ % Quality rate Transport quality Migration quality/g 3 5 图 7 不同频率下煤粉运移质量 Fig.7 Coal cutting mass transported at various frequencies Frequency/Hz High correlation Preeure drop during/s Preeure drop during Migration quality/g Migration quality 12 10 8 6 4 2 0 0 1 3 5 26 24 22 20 18 16 14 12 图 8 压降时间与煤粉运移质量曲线 Fig.8 Curve of the pressure drop time and coal cutting transport quality (a) (b) (c) (d) 图 9 不同频率下解堵路径. （a）0 Hz 液流路径；（b）1 Hz 液流路径； （c）3 Hz 液流路径；（d）5 Hz 液流路径 Fig.9 Unblocking path at different frequencies: (a) 0 Hz liquid flow path; (b) 1 Hz liquid flow path; (c) 3 Hz liquid flow path; (d) 5 Hz liquid flow path · 354 · 工程科学学报，第 44 卷，第 3 期
叶功勤等：充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 355· 渗流能力更强、速度也更快2-2测从而脉动压裂过 [4]Huang B X,Liu C Y,Fu J H,et al.Hydraulic fracturing after water 程其渗透所造成的储层伤害也相对较小. pressure control blasting for increased fracturing.Int/Rock Mech Min Sci,.2011,48(6):976 3结论 [5] Kabir M A,Khan MM K,Bhuiyan M A.Flow phenomena in a channel with different shaped obstructions at the entrance.Fluid 本文通过对充填型煤岩单缝水力脉动解堵过 Dyn Res,2004,35(6:391 程的注液压力、煤粉运移、解堵路径和径向渗透 [6J Yu X.Research on Propagation Law of Hydraulic Fracture 半径的分析，得出以下结论： Pressure Wave in Coal Fissures and Blockings Removal (1)脉动流体解堵压力曲线随时间的变化分 Mechanism [Dissertation].China University of Mining and 为三个阶段：压力上升阶段、压力下降阶段和压力 Technology,2016 波动稳定阶段.与定常流液体解堵相比脉动流体 (余旭.煤层脉动水力压裂压力波沿裂隙传播规律和解堵机理 研究学位论文]，北京：中国矿业大学，2016) 的解堵阀值更低，且随频率的增加解堵阀值降低， [7]He P,Xiong J Y,Lu Z H,et al.Study of pulse wave transmission 压降幅度变小，压降时间变短.同时，脉动波的疲 mechanism based on high pulse hydraulic fracturing.Chin J 劳损伤作用和振荡作用是脉动解堵的主导因素， Hydrodyn,2017,32(1):117 并能很好的解释压力曲线的变化特征 (贺培，熊继有，陆朝晖，等.基于高压脉动水力压裂的脉动波传 (2)裂隙中煤粉的运移，均主要发生在压力下 播机理研究.水动力学研究与进展(A辑)，2017,32(1)：117) 降阶段，但在压力波动稳定阶段仍有少量煤粉运 [8]Li Q G,Lin B Q,Zhai C,et al.Experimental study on action characteristic of pulsating parameters in coal seam pulse hydraulic 移.煤粉运移质量与压降时间存在良好的正相关 fracturing.J China Coal Soc,2013,38(7):1185 关系.在本试验条件下，最终煤粉的运移量，两种 (李全贵，林柏泉，翟成，等.煤层脉动水力压裂中脉动参量作用 方式运移结果相当 特性的实验研究.煤炭学报，2013,38(7)：1185) (3)相对定常流，脉动作用下压裂液携带煤粉 [9] Li A H,Liu P Q.Study on mechanism of pulsating pressure 的运移路径更为简单平直.且由于应力波的相互干 propagation disintegration in joints of bottom slab.Water Resour 涉，使脉动作用下的液流路径宽度变化十分剧烈， Hydropower Eng,2006,37(9):33 应力增大位置渗流液流路径变宽，应力降低位置 (李爱华，刘沛清.脉动压力在板块缝隙中传播衰变机理研究 路径变窄，定常流作用下渗流路径宽度变化较小 水利水电技术，2006,37(9)：33) [10]Liu P Q,Deng X Y.Numerical investigation of pressure (4)在裂隙的解堵过程中，压裂液的径向渗透 fluctuations within crack layers of lower surfaces of slabs.ChinJ 主要发生在压力升高至峰值阶段，对比于定常流 Theoret Appl Mech,1998,30(6):662 解堵，脉冲解堵渗流通路的形成时间短，渗透半径 (刘沛清，邓学蓥.多级板块缝隙中脉动压力传播过程数值研究 小，从而使得脉动作用下压裂液渗透所造成的储 力学学报，1998,30(6)：662) 层伤害也较小.综合考虑解堵压力、煤粉运移、解 [11]Teyssedou A,Onder E N,Tye P.Air-water counter-current slug 堵渗透路径和解堵渗流深度，在3Hz条件下解堵 flow data in vertical-to-horizontal pipes containing orifice type obstructions.Int J Multiphase Flow,2005,31(7):771 效果最好 [12]Li A H,Liu P Q,Xu WL.Numerical study of fluctuating pressure 参考文献 propagation within complicated fracture network due to impinging jet.J Sichuan Univ Eng Sci Ed,2009,41(5):36 [Qian B Z,Zhu J F.New progress in coal seam gas development (李爱华，刘沛清，许唯临.复杂裂隙网路内冲击射流脉动压力 and utilization.Nar Gas Oil,2010,28(4):29 传播过程数值研究.四川大学学报工程科学版)，2009,41(5)： (钱伯章，朱建芳.煤层气开发与利用新进展.天然气与石油， 36) 2010.28(4):29) [13]Zhao Z B.Study of technology of variable-frequency pulse water [2]Ge Z L.Mechanism and Experimental Study of Perforation infusion into coal seam.JMin SafEng,008,25(4):48 Increasing Production in Low Permeability Gas Reservoir with (赵振保.变颜脉冲式煤层注水技术研究.采矿与安全工程学报， Pulsed Abrasive Water Jets [Dissertation].Chongqing:Chongqing 2008,25(4):486) University,2011 [14]Zhai C,Li X Z,Li Q G.Research and application of coal seam (葛兆龙.低渗气藏脉冲磨料射流射孔增产机理及实验研究学 pulse hydraulic fracturing technology.J China Coal Soc,2011. 位论文].重庆：重庆大学，2011) 36(12):1996 [3]Li Q G,Lin B Q,Zhai C.The effect of pulse frequency on the (翟成，李贤忠，李全贵.煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究 fracture extension during hydraulic fracturing.Nat Gas Sci Eng. 与应用.煤炭学报，2011,36(12)：1996) 2014.2:296 [15]Li X Z,Lin B Q,Zhai C,et al.The mechanism of breaking coal
渗流能力更强、速度也更快[27−28] ，从而脉动压裂过 程其渗透所造成的储层伤害也相对较小. 3 结论 本文通过对充填型煤岩单缝水力脉动解堵过 程的注液压力、煤粉运移、解堵路径和径向渗透 半径的分析，得出以下结论： （1）脉动流体解堵压力曲线随时间的变化分 为三个阶段：压力上升阶段、压力下降阶段和压力 波动稳定阶段. 与定常流液体解堵相比脉动流体 的解堵阀值更低，且随频率的增加解堵阀值降低， 压降幅度变小，压降时间变短. 同时，脉动波的疲 劳损伤作用和振荡作用是脉动解堵的主导因素， 并能很好的解释压力曲线的变化特征. （2）裂隙中煤粉的运移，均主要发生在压力下 降阶段，但在压力波动稳定阶段仍有少量煤粉运 移. 煤粉运移质量与压降时间存在良好的正相关 关系. 在本试验条件下，最终煤粉的运移量，两种 方式运移结果相当. （3）相对定常流，脉动作用下压裂液携带煤粉 的运移路径更为简单平直. 且由于应力波的相互干 涉，使脉动作用下的液流路径宽度变化十分剧烈， 应力增大位置渗流液流路径变宽，应力降低位置 路径变窄，定常流作用下渗流路径宽度变化较小. （4）在裂隙的解堵过程中，压裂液的径向渗透 主要发生在压力升高至峰值阶段，对比于定常流 解堵，脉冲解堵渗流通路的形成时间短，渗透半径 小，从而使得脉动作用下压裂液渗透所造成的储 层伤害也较小. 综合考虑解堵压力、煤粉运移、解 堵渗透路径和解堵渗流深度，在 3 Hz 条件下解堵 效果最好. 参 考 文 献 Qian B Z, Zhu J F. New progress in coal seam gas development and utilization. Nat Gas Oil, 2010, 28（4）: 29 （钱伯章, 朱建芳. 煤层气开发与利用新进展. 天然气与石油, 2010, 28（4）：29） [1] Ge Z L. Mechanism and Experimental Study of Perforation Increasing Production in Low Permeability Gas Reservoir with Pulsed Abrasive Water Jets [Dissertation]. Chongqing: Chongqing University, 2011 （ 葛兆龙. 低渗气藏脉冲磨料射流射孔增产机理及实验研究[学 位论文]. 重庆: 重庆大学, 2011） [2] Li Q G, Lin B Q, Zhai C. The effect of pulse frequency on the fracture extension during hydraulic fracturing. J Nat Gas Sci Eng, 2014, 21: 296 [3] Huang B X, Liu C Y, Fu J H, et al. Hydraulic fracturing after water pressure control blasting for increased fracturing. Int J Rock Mech Min Sci, 2011, 48（6）: 976 [4] Kabir M A, Khan M M K, Bhuiyan M A. Flow phenomena in a channel with different shaped obstructions at the entrance. Fluid Dyn Res, 2004, 35（6）: 391 [5] Yu X. Research on Propagation Law of Hydraulic Fracture Pressure Wave in Coal Fissures and Blockings Removal Mechanism [Dissertation]. China University of Mining and Technology, 2016 （ 余旭. 煤层脉动水力压裂压力波沿裂隙传播规律和解堵机理 研究[学位论文]. 北京: 中国矿业大学, 2016） [6] He P, Xiong J Y, Lu Z H, et al. Study of pulse wave transmission mechanism based on high pulse hydraulic fracturing. Chin J Hydrodyn, 2017, 32（1）: 117 （贺培, 熊继有, 陆朝晖, 等. 基于高压脉动水力压裂的脉动波传 播机理研究. 水动力学研究与进展(A辑), 2017, 32（1）：117） [7] Li Q G, Lin B Q, Zhai C, et al. Experimental study on action characteristic of pulsating parameters in coal seam pulse hydraulic fracturing. J China Coal Soc, 2013, 38（7）: 1185 （李全贵, 林柏泉, 翟成, 等. 煤层脉动水力压裂中脉动参量作用 特性的实验研究. 煤炭学报, 2013, 38（7）：1185） [8] Li A H, Liu P Q. Study on mechanism of pulsating pressure propagation disintegration in joints of bottom slab. Water Resour Hydropower Eng, 2006, 37（9）: 33 （李爱华, 刘沛清. 脉动压力在板块缝隙中传播衰变机理研究. 水利水电技术, 2006, 37（9）：33） [9] Liu P Q, Deng X Y. Numerical investigation of pressure fluctuations within crack layers of lower surfaces of slabs. Chin J Theoret Appl Mech, 1998, 30（6）: 662 （刘沛清, 邓学蓥. 多级板块缝隙中脉动压力传播过程数值研究. 力学学报, 1998, 30（6）：662） [10] Teyssedou A, Önder E N, Tye P. Air-water counter-current slug flow data in vertical-to-horizontal pipes containing orifice type obstructions. Int J Multiphase Flow, 2005, 31（7）: 771 [11] Li A H, Liu P Q, Xu W L. Numerical study of fluctuating pressure propagation within complicated fracture network due to impinging jet. J Sichuan Univ Eng Sci Ed, 2009, 41（5）: 36 （李爱华, 刘沛清, 许唯临. 复杂裂隙网络内冲击射流脉动压力 传播过程数值研究. 四川大学学报(工程科学版), 2009, 41（5）： 36） [12] Zhao Z B. Study of technology of variable-frequency pulse water infusion into coal seam. J Min Saf Eng, 2008, 25（4）: 486 （赵振保. 变频脉冲式煤层注水技术研究. 采矿与安全工程学报, 2008, 25（4）：486） [13] Zhai C, Li X Z, Li Q G. Research and application of coal seam pulse hydraulic fracturing technology. J China Coal Soc, 2011, 36（12）: 1996 （翟成, 李贤忠, 李全贵. 煤层脉动水力压裂卸压增透技术研究 与应用. 煤炭学报, 2011, 36（12）：1996） [14] [15] Li X Z, Lin B Q, Zhai C, et al. The mechanism of breaking coal 叶功勤等： 充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究 · 355 ·
356 工程科学学报，第44卷.第3期 and rock by pulsating pressure wave in single low permeability characteristics of cracks extension in directional hydraulic seam.J China Coal Soc,2013,38(6):918 fracturing and its application.China Saf SciJ,2011,21(7):104 (李贤忠，林柏泉，翟成，等.单一低透煤层脉动水力压裂脉动波 (徐幼平，林柏泉，翟成，等.定向水力压裂裂隙扩展动态特征分 破煤岩机理.煤炭学报，2013,38(6)：918) 析及其应用.中国安全科学学报，2011,21(7)：104) [16]Ni G H.Lin B Q,Zhai C,et al.Borehole sealed parameter [22]Li Q G,Lin B Q,Zhai C,et al.Variable frequency of pulse measurement and analysis of pulsating hydraulic fracturing.J hydraulic fracturing for improving permeability in coal seam.n China Univ Min Technol,2013,42(2):177 Min Sci Technol,2013,23(6):847 (倪冠华，林柏泉，翟成，等.脉动水力压裂钻孔密封参数的测定 [23]Ding S D,Sun L M.Fracture Mechanics.Beijing:China Machine 及分析.中国矿业大学学报，2013,42(2)：177) Press,1997 [17]Lu P Q,Li G S,Huang Z W,et al.Establishment and solution of a (丁隧栋，孙利民.断裂力学.北京：机械工业出版社，1997) dynamic and static response numerical model for pulsating hydro [24]Xu J Z,Zhai C,Qin L.Mechanism and application of pulse fracturing in coal seams.Rock Soil Mech,2015,36(5):1471 hydraulic fracturing in improving drainage of coalbed methane.J (陆沛青，李根生，黄中伟，等.煤层脉动水力压裂动静态响应数 Nat Gas Sci Eng,2017,40:79 值模型及求解.岩土力学，2015,36(5)：1471) [25]Ge X R.Study on deformation and strength behaviour of the large- [18]Wang Y R,Zhang J M,Diao M J,et al.Experimental study on sized triaxial rock samples under cyclic loading.Rock Soil Mech, propagation of flucturation pressure in fissures./Hydraul Eng, 1987,8(2):11 2002(12):44 (葛修润.周期荷载作用下岩石大型三轴试件的变形和强度特 (王玉蓉，张建民，刁明军，等.脉动水压力沿缝隙传播的试验研 究.水利学报，2002(12)：44) 性研究.岩土力学，1987,8(2)：11) [19]Wu JJ,Zhang S H,Sun P H,et al.Experimental study on acoustic [26]Yang Y J,Song Y,Chu J.Experimental study on characteristics of emission characteristics in coal seam pulse hydraulic fracturing.J strength and deformation of coal under cyclic loading ChinJRock Cent South Univ Sci Technol,2017,48(7):1866 Mech Eng,2007,26(1):202 (吴品品，张绍和，孙平贺，等.煤岩脉动水力压裂过程中声发射 (杨永杰，宋扬，楚俊.循环荷载作用下煤岩强度及变形特征试 特征的试验研究.中南大学学报（自然科学版），2017,48(7)： 验研究.岩石力学与工程学报，2007,26(1)：202) 1866) [27]Zhai C,Yu X,Xiang X W,et al.Experimental study of pulsating [20]Chen J Z,Cao H,Sun P H,et al.Mechanisms of fracture extending water pressure propagation in CBM reservoirs during pulse in coal rock by pulse hydraulic fracturing under triaxial loading hydraulic fracturing.J Nat Gas Sci Eng,2015,25:15 Rock Soil Mech,2017,38(4):1023 [28]Bai R N.Influence of stress conditions on water seepage of coal (陈江湛，曹函，孙平贺，等.三轴加载下煤岩脉冲水力压裂扩缝 microscopic pore model.SafCoal Mines,2016,47(12):180 机制研究.岩土力学，2017,38(4)：1023) (白若男，压力条件对煤体微观孔隙模型水渗流的影响.煤矿安 [21]Xu Y P,Lin B Q,Zhai C,et al.Analysis on dynamic 全，2016,47(12)：180)
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