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 ·