《工程科学学报》：充填型单缝煤岩水力脉动解堵试验研究

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 ·