吳晶晶，張紹和，孫平賀，曹函, 3，陳江湛

煤巖脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究

吳晶晶1, 2，張紹和1, 2，孫平賀1, 2，曹函1, 2, 3，陳江湛1, 2

(1. 中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；3. 湖南科技大學(xué)頁(yè)巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭，411201)

利用真三軸加載脈動(dòng)水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)和PAC聲發(fā)射儀，開(kāi)展不同注液頻率和不同壓裂液黏度條件下煤巖脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程的聲發(fā)射(AE)試驗(yàn)研究，揭示煤巖脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)、損傷演化規(guī)律及震級(jí)?頻度關(guān)系參數(shù)的動(dòng)態(tài)特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：煤巖在脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中，聲發(fā)射行為演化過(guò)程可劃分為平靜期、提速期、加速期和穩(wěn)定期4個(gè)階段，其中提速期和加速期累積能量均值較平靜期分別提高40.9和52.7倍；煤巖損傷演化過(guò)程可分為初始階段、損傷發(fā)展階段及損傷加速發(fā)展階段，煤巖的聲發(fā)射特征能較好地描述其損傷演化特性；脈動(dòng)頻率較低時(shí)煤樣的AE活動(dòng)水平和能量釋放越強(qiáng)，裂隙發(fā)育程度越高；當(dāng)壓裂液黏度較高時(shí)，煤樣的AE活動(dòng)水平和能量釋放越弱，裂隙發(fā)育程度較低；在煤巖脈動(dòng)壓裂整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)脈動(dòng)頻率或壓裂液黏度較低時(shí)，煤巖AE振幅分布變化幅度較大，且其更大，大尺度AE事件比例更低。

煤巖；脈動(dòng)水力壓裂；脈沖頻率；壓裂液黏度；聲發(fā)射

脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)是在普通水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的一種新的增透技術(shù)[1]，是將恒壓水通過(guò)脈動(dòng)泵后輸出具有周期性的脈沖射流，以強(qiáng)烈的交變壓力作用于煤體，在煤層內(nèi)產(chǎn)生周期性張壓應(yīng)力，促使煤體裂隙發(fā)育[2]。目前，脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)已在國(guó)內(nèi)一些礦井進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)應(yīng)用。林柏泉等[3?4]研究了高壓脈動(dòng)水破煤巖機(jī)理；LI等[5]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了脈動(dòng)參量對(duì)脈動(dòng)水力壓裂致裂效果的影響；趙振保[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明脈動(dòng)式高壓注水技術(shù)能有效地提高煤層透氣性，增大瓦斯抽采量。但人們對(duì)脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中聲發(fā)射特征的研究較少，而聲發(fā)射[7?9]作為煤樣壓裂過(guò)程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊(yùn)含著煤巖壓裂破壞過(guò)程中的許多信息，研究煤巖壓裂過(guò)程中聲發(fā)射時(shí)間序列參數(shù)，可推斷煤巖內(nèi)部的形態(tài)變化，反演煤巖脈動(dòng)水力壓裂機(jī)理及裂隙擴(kuò)展程度。另外，在壓裂過(guò)程中，脈動(dòng)頻率和壓裂液黏度分別是施工過(guò)程中重要的施工參數(shù)和壓裂液流變參數(shù)，均是影響壓裂效果的可控因素[10]。為此，本文作者采用聲發(fā)射和壓力測(cè)試系統(tǒng)收集煤巖在脈動(dòng)水力荷載作用下的聲發(fā)射信息和注入壓力，從而研究煤巖壓裂過(guò)程中損傷演化特性，同時(shí)重點(diǎn)考察不同脈動(dòng)頻率或壓裂液黏度條件下煤巖脈動(dòng)水力壓裂的聲發(fā)射行為特性響應(yīng)差異，進(jìn)一步揭示脈動(dòng)水力壓裂機(jī)理，以便為脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)在煤層氣井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施提供依據(jù)。

1 煤層脈動(dòng)水力壓裂模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及裝置

1.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用真三軸加載脈動(dòng)水力壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行煤層脈動(dòng)水力壓裂試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)由脈沖注液系統(tǒng)、三軸加載系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖1)，其中聲發(fā)射測(cè)試儀采用美國(guó)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。本次聲發(fā)射試驗(yàn)的采樣頻率為10 MHz，8個(gè)聲發(fā)射傳感器(1~8號(hào))分別固定在4塊加壓板預(yù)留的凹槽內(nèi)，并在加壓板上以對(duì)角線(xiàn)形式布置，其頻域?yàn)?25~750 kHz，通道前置放大器增益均為40 dB。在模擬壓裂過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄脈動(dòng)壓裂過(guò)程中壓力、聲發(fā)射信號(hào)、注水時(shí)間等參數(shù)，從而對(duì)壓裂過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1.2 試件制備

試驗(yàn)用原狀煤及試件示意圖和巖樣圖見(jiàn)圖2。壓裂試驗(yàn)煤樣由取自湖南省拾柴坡煤礦的天然煤巖加工而成，取樣層位隸屬于二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M3號(hào)煤層(圖2(a))，為了確保試驗(yàn)煤樣端面的平整性，采取力學(xué)性能相近的混凝土材料包裹煤巖來(lái)制備煤巖壓裂試樣。

圖1 脈動(dòng)水力壓裂試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

(a) 原煤；(b) 試件示意圖；(c) 巖樣圖

首先，通過(guò)室內(nèi)配方試驗(yàn)及力學(xué)試驗(yàn)，最終確定混凝土材料的最優(yōu)配合比，原煤及混凝土材料力學(xué)性能見(jiàn)表1。然后，將原煤煤塊放置于模具的中心位置，將合理配方的混凝土灌入模具，澆筑成型并養(yǎng)護(hù)28 d后，利用手持鉆機(jī)從試樣頂部中間位置鉆1個(gè)直徑為10 mm、長(zhǎng)度合適(保證煤塊內(nèi)有20 mm的裸眼井段)的鉆孔，隨后放置1根直徑為8 mm、帶有橡膠塞的模擬套管，旋緊模擬套管上的螺母以達(dá)到密封鉆孔環(huán)空的目的。制作完成后的試樣長(zhǎng)×寬×高為200 mm× 200 mm×200 mm。

表1 原煤與混凝土材料力學(xué)性能(均值)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)取樣點(diǎn)深度約400 m，根據(jù)室內(nèi)測(cè)量的煤巖物理力學(xué)性質(zhì)及相關(guān)參數(shù)可知，取樣點(diǎn)的地層水平應(yīng)力為4~5 MPa，垂直應(yīng)力為5~6 MPa。因此，本試驗(yàn)根據(jù)研究區(qū)地應(yīng)力條件設(shè)置三軸應(yīng)力，其中，垂向應(yīng)力=5.5 MPa，水平主應(yīng)力均為4.8 MPa。為了考察不同注液頻率與壓裂液黏度下煤巖脈動(dòng)水力壓裂的聲發(fā)射行為特性差異，選用2組不同注液頻率和3組不同黏度壓裂液，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 煤樣聲發(fā)射參數(shù)及損傷演化過(guò)程規(guī)律

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有振鈴累積數(shù)、能量累計(jì)數(shù)、能量率、幅值等[11]。其中，能量累積數(shù)表示從試驗(yàn)開(kāi)始到某一特定時(shí)間的聲發(fā)射能量，可代替振鈴計(jì)數(shù)；能量率則表示單位時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)能量[12]。本文選用這2個(gè)參數(shù)對(duì)煤樣聲發(fā)射行為特性及演化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖3所示為不同脈動(dòng)頻率或不同壓裂液黏度條件下，煤巖在脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中壓力和AE能量和能量率隨時(shí)間的演化情況。從圖3可看出整個(gè)壓裂過(guò)程可劃分為4個(gè)階段。

圖例：1—壓力；2—能量率；3—能量。

1) 平靜期①。脈動(dòng)水進(jìn)入煤樣原生裂隙和孔隙中，對(duì)煤樣產(chǎn)生周期性沖擊，使高壓水主要以滲流方式進(jìn)入煤樣原始孔裂隙中并使其充滿(mǎn)水，并未有顯著的損傷出現(xiàn)，因而，此階段只有零星的聲發(fā)射事件。

2) 提速期②。當(dāng)水充滿(mǎn)煤體裂隙時(shí)，隨著注水壓力增大，一定頻率的脈動(dòng)壓力開(kāi)始作用于煤體。煤樣在連續(xù)脈動(dòng)荷載作用下，疲勞損傷不斷累積，煤樣內(nèi)部微裂紋不斷演化時(shí)聲發(fā)射趨于活躍，累計(jì)能量曲線(xiàn)斜率增加；當(dāng)煤樣的疲勞損傷累積到一定程度時(shí)，達(dá)到煤樣的破裂壓力，聲發(fā)射能量率也達(dá)到最大，此時(shí)較平靜期的累計(jì)能量平均提高40.9倍。

3) 加速期③。在持續(xù)脈動(dòng)作用下，煤樣的裂隙逐漸連接貫通，大量的裂隙加密貫通成宏觀(guān)主裂隙，最后煤樣完全破裂。該階段由于井筒中部分液體填充到所形成的裂縫中，壓力有所降低，而裂紋之間的相互作用加劇，聲發(fā)射活動(dòng)異?；钴S，累計(jì)能量急速增加，此時(shí)較平靜期的累計(jì)能量平均提高52.7倍。

4) 穩(wěn)定期④。此時(shí)期煤樣已完全破裂，劇烈的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)停止，煤樣表現(xiàn)出的聲發(fā)射活動(dòng)基本趨于平緩。

另外，聲發(fā)射現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是材料內(nèi)部大量微裂紋成核、擴(kuò)展和斷裂的結(jié)果，與材料的損傷變量之間存在著內(nèi)在的必然聯(lián)系[13]。材料的疲勞試驗(yàn)還表明，聲發(fā)射累積數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐步增大，在疲勞破壞前急劇變化，疲勞壽命越長(zhǎng)其累計(jì)數(shù)越大[14]。因此，在不考慮材料初始損傷的前提下，可用聲發(fā)射累積數(shù)來(lái)定義損傷變量[13]：

=/m(1)

式中：為疲勞次后聲發(fā)射累積數(shù)；m為疲勞破壞時(shí)聲發(fā)射累積數(shù)。以聲發(fā)射累積數(shù)法定義損傷變量，煤樣壓裂過(guò)程中的損傷演化曲線(xiàn)如圖4所示。

試樣：1—A1；2—B1；3—C1；4—C2。

從圖4可以看出煤樣壓裂過(guò)程中損傷演化大致可分為3個(gè)階段：1) 脈動(dòng)水充滿(mǎn)原始裂隙階段，對(duì)應(yīng)平靜期，損傷變量趨近于0，為初始損傷階段；2) 煤樣中原始裂隙與新生疲勞裂紋進(jìn)一步萌生擴(kuò)展，損傷變量逐漸增大，對(duì)應(yīng)提速運(yùn)動(dòng)期，為損傷發(fā)展階段；3) 煤樣已達(dá)到其疲勞強(qiáng)度，煤樣中裂隙逐漸連接貫通，試件出現(xiàn)宏觀(guān)破壞，損傷損傷變量快速上升直至等于損傷臨界值，對(duì)應(yīng)加速期和穩(wěn)定期，為損傷加速發(fā)展階段。

綜上所述，煤樣壓裂過(guò)程的損傷演化與聲發(fā)射參數(shù)演化過(guò)程具有較好的一致性，這進(jìn)一步說(shuō)明煤樣脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程可視為逐漸發(fā)展過(guò)程：充水、疲勞損傷萌生和演化；出現(xiàn)宏觀(guān)裂紋；由裂紋擴(kuò)展貫通到破壞。聲發(fā)射特征能較好地描述其損傷演化特性。

2.1.1 脈動(dòng)頻率對(duì)聲發(fā)射行為演化影響分析

脈動(dòng)頻率是脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)的基本脈動(dòng)參量之一[15]，不同的脈動(dòng)頻率會(huì)改變壓裂過(guò)程中煤樣的受力情況，從而影響壓裂過(guò)程中裂隙的擴(kuò)展情況，最終改變煤樣壓裂過(guò)程中的聲發(fā)射行為特性。圖5所示為不同脈動(dòng)頻率下煤樣脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中AE能量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

試樣：1—C1；2—C2。

從圖5可以看出：頻率較小時(shí)煤樣C1的能量增長(zhǎng)更加迅速，最終AE能量達(dá)11.9 mV，大于頻率較大時(shí)煤樣C2的AE能量8 mV，表明脈動(dòng)頻率較小時(shí)，在整個(gè)壓裂過(guò)程中的微裂紋擴(kuò)展貫通釋放的總能量大于脈動(dòng)頻率較大時(shí)的總能量，即整個(gè)壓裂過(guò)程中脈動(dòng)頻率較小時(shí)的煤樣AE活動(dòng)水平比脈動(dòng)頻率較大時(shí)煤樣的AE活動(dòng)水平強(qiáng)。從圖3(c)和3(d)可以看出：頻率較小時(shí)，煤樣C1的AE能量率分布相對(duì)密集，且能量率相對(duì)較大，說(shuō)明在脈動(dòng)壓裂過(guò)程中，頻率較小時(shí)煤樣C1單位時(shí)間內(nèi)的AE能量釋放更強(qiáng)，煤樣破裂和擴(kuò)展活動(dòng)更劇烈，裂隙發(fā)育程度越高。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是脈動(dòng)頻率與煤樣的起裂壓力具有正相關(guān)性[5]，本試驗(yàn)中煤樣C1和C2的起裂壓力分別為0.93 MPa和2.52 MPa，脈動(dòng)頻率越低，煤樣的起裂壓力越小，在受力過(guò)程中，積累少量能量就能產(chǎn)生微裂紋，且裂紋擁有足夠的時(shí)間擴(kuò)展并釋放能量，整個(gè)壓裂過(guò)程都貫穿著裂紋的萌生與擴(kuò)展，這都對(duì)應(yīng)著能量和能量率增大；而頻率越高，煤樣起裂壓力越大，在壓裂過(guò)程中，煤樣前期會(huì)集聚能量，直到能量累積到一定程度，微裂隙才會(huì)產(chǎn)生、擴(kuò)展并釋放能量。從圖4可以看出：頻率較小時(shí)的C1的損傷變量比C2的大，這與其壓裂過(guò)程中釋放的總能量要比C2釋放的總能量高的結(jié)論 一致。

2.1.2 壓裂液黏度對(duì)聲發(fā)射行為演化影響分析

壓裂液黏度是控制流體濾失的主要因素，直接影響到液體的造縫能力[16]，進(jìn)而影響煤樣壓裂過(guò)程中的聲發(fā)射行為特性。圖6所示為不同壓裂液黏度條件下煤樣脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中AE能量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

試樣：1—A1；2—B1；3—C1。

從圖6可以看出：壓裂液黏度越高，能量增長(zhǎng)越緩慢，表明壓裂液黏度越高，煤樣在整個(gè)壓裂過(guò)程中的微裂紋擴(kuò)展貫通的釋放的總能量越小，即整個(gè)壓裂過(guò)程中煤樣的AE活動(dòng)水平越弱；從圖3(a)，3(b)和3(c)可以看出：隨著黏度升高，AE能率分布越稀疏，且能量率越低，說(shuō)明在脈動(dòng)壓裂過(guò)程中，黏度越高，煤樣單位時(shí)間內(nèi)的AE能量釋放更弱，煤樣破裂和擴(kuò)展活動(dòng)更緩和，裂隙發(fā)育程度越低。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是黏度增大，會(huì)引起煤樣起裂壓力增加[17]，本試驗(yàn)中煤樣A1，B1和C1起裂壓力分別為0.81，0.92和0.93 MPa，而且壓裂液流動(dòng)阻力增大，裂隙的擴(kuò)展受限，從而在壓裂過(guò)程中，能量只有累積到相對(duì)較高的程度，裂隙才會(huì)擴(kuò)展、貫通并釋放能量。從圖4可看出：黏度越高，損傷變量越小。這與其壓裂過(guò)程中其釋放的總能量也越小的結(jié)論一致。

2.2 煤巖脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中的震級(jí)?頻度關(guān)系參數(shù)的動(dòng)態(tài)特征

AE的振幅表示單個(gè)AE事件的最大振幅，可表征AE事件發(fā)生的程度，而與AE振幅密切相關(guān)的1個(gè)參數(shù)是震級(jí)?頻度關(guān)系式中的[18]，它是表征地震的震級(jí)?頻度關(guān)系的參數(shù)[19]。目前，人們對(duì)的研究已不限于地震學(xué)領(lǐng)域，通常將巖石受力破壞中的聲發(fā)射事件當(dāng)作地震活動(dòng)(微震)。研究表明，AE的測(cè)度與地震相應(yīng)物理量的測(cè)度相似，AE的是裂紋擴(kuò)展尺度的函數(shù)，能反映微破裂尺度的分布，可采用下式計(jì)算[20]：

lg(())=?lg() (2)

式中：為脈動(dòng)壓裂過(guò)程中AE事件的振幅，dB；()為脈動(dòng)壓裂過(guò)程中大于(包含)振幅的AE事件總數(shù)；為常數(shù)。

曾正文等[21]對(duì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：增大，意味著小事件所占比例增加，以小尺度微破裂為主；不變，說(shuō)明AE事件的分布不變，不同尺度的微破裂狀態(tài)(即微破裂尺度分布)比較恒定；減小，意味著大事件發(fā)生的比例增加，大尺度微破裂增多。因此，不僅可用于表征煤樣壓裂過(guò)程中不同階段的演化特征，同時(shí)可比較不同頻率或壓裂液黏度脈動(dòng)壓裂條件下煤樣破壞的演化差異。

根據(jù)式(2)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程獲得的聲發(fā)射結(jié)果，選用200個(gè)聲發(fā)射振幅為一組采樣窗口，并以50個(gè)振幅為步長(zhǎng)，采用最小二乘法擬合計(jì)算，得到不同頻率和不同黏度下隨時(shí)間(含4個(gè)階段轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn))的變化規(guī)律，如圖7所示。

從圖7可以看出：在不同脈動(dòng)頻率或不同壓裂液黏度下，煤樣壓裂過(guò)程中變化整體趨勢(shì)相似，即在提速期增大，加速期減小，穩(wěn)定期基本不變。整體變化規(guī)律表明：提速期主要以小振幅AE事件為主，加速期和平穩(wěn)期主要以大振幅AE事件為主。這是因?yàn)樵谔崴倨?，煤樣在壓裂液的沖擊作用下造成損傷，試件內(nèi)主要以微裂隙的萌生和擴(kuò)展為主，小尺度微破裂迅速增長(zhǎng)，而大尺度微破裂增加緩慢，從而導(dǎo)致逐漸增大；進(jìn)入加速期后，煤樣大量的裂隙加密貫通成宏觀(guān)主裂隙，大尺度微破裂增長(zhǎng)的速度超過(guò)小尺度微破裂增長(zhǎng)速度，從而減?。欢竭_(dá)穩(wěn)定期，煤樣基本完全破裂，微破裂尺度分布比較恒定，因此，基本不變。

試樣：1—A1；2—B1；3—C1；4—C2。

以煤樣B1為例，在脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中不同階段聲發(fā)射事件空間分布見(jiàn)圖8。從圖8可見(jiàn)：階段①所得到的聲發(fā)射定位事件很少，因該階段為充水階段；當(dāng)脈沖注水到53.25 s時(shí)，注入壓力達(dá)到煤樣疲勞強(qiáng)度，能夠定位的聲發(fā)射事件增多，但事件位置較分散，該時(shí)期煤樣以小尺度微破裂為主，與之相對(duì)應(yīng)的也處于增長(zhǎng)階段；當(dāng)達(dá)到63.72 s時(shí)，所定位的聲發(fā)射事件迅速增多，并且出現(xiàn)明顯的集聚現(xiàn)象，說(shuō)明煤樣內(nèi)部裂紋貫通成宏觀(guān)裂隙，大尺度微破裂所占比例增加，較快下降；進(jìn)入到階段④時(shí)，煤樣此時(shí)已完全破裂，聲發(fā)射事件與63.72 s時(shí)的定位相似，與之相對(duì)應(yīng)的也基本不變。

雖然在不同脈動(dòng)頻率或不同壓裂液黏度下，煤樣壓裂過(guò)程中變化整體趨勢(shì)相似，但在不同條件下，煤樣壓裂過(guò)程中的演化行為存在一定差別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1) 頻率較高時(shí)C2曲線(xiàn)在不同時(shí)期的均比頻率較小時(shí)C1曲線(xiàn)的小，且變化平緩(見(jiàn)圖7)。這說(shuō)明煤樣脈動(dòng)壓裂過(guò)程中，當(dāng)頻率較大時(shí)，大振幅AE事件所占比例要大于頻率較小時(shí)大振幅AE事件所占比例，且整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)出一種漸進(jìn)式穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程。這主要是因?yàn)轭l率較低時(shí)，微裂隙有足夠的時(shí)間擴(kuò)展，形成復(fù)雜微裂隙，小尺度微破裂所占比例逐漸增多，達(dá)到疲勞強(qiáng)度后，大量微裂隙加密貫通成宏觀(guān)大裂隙，較大AE事件發(fā)生，整個(gè)過(guò)程發(fā)生較“劇烈”，AE振幅分布變化較強(qiáng)烈；頻率較高時(shí)，脈動(dòng)壓裂過(guò)程類(lèi)似于常規(guī)壓裂[5]，脈動(dòng)水持續(xù)以高壓形式注入，易產(chǎn)生單條主水力裂縫，且整個(gè)壓裂過(guò)程裂隙擴(kuò)展相對(duì)平穩(wěn)，AE振幅分布相對(duì)平緩，從而較小且變化幅度小。

時(shí)間/s：(a) 9.72；(b) 53.25；(c) 63.72；(d) 76.32

2) 隨著壓裂液黏度增大，不同階段的AE振幅均減小，大振幅AE事件所占比例越大，且整個(gè)過(guò)程越平緩。產(chǎn)生這些變化特征的主要原因是：在低黏度條件下，壓裂液大量地濾失到煤樣裂隙中[22?23]，隨著脈沖液體不斷地沖擊和振動(dòng)，造成裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，小的AE事件逐漸增多，微破裂發(fā)展很快；達(dá)到煤樣疲勞強(qiáng)度后，裂隙貫通融合，大的AE事件所占比例迅速增大，整個(gè)過(guò)程破裂變化尺度較劇烈；隨著壓裂液黏度升高，壓裂液濾失減小，壓裂液流動(dòng)阻力增大，原生裂隙的擴(kuò)展受限；隨著脈沖液體不斷注入，裂隙根部的壓力增大，加劇了裂隙在寬度和高度上的延 伸[24]，使得大事件所占比例增大，且整個(gè)過(guò)程破裂尺度變化較緩和。

3 結(jié)論

1) 煤巖在脈動(dòng)水力壓裂過(guò)程中聲發(fā)射參數(shù)演化過(guò)程可分為4個(gè)階段：平靜期、提速期、加速期和穩(wěn)定期。其中，提速期和加速期累積能量均值較平靜期分別提高40.9和52.7倍；煤巖損傷演化階段可分為3個(gè)階段：初始階段、損傷發(fā)展階段及損傷加速發(fā)展階段，煤巖的聲發(fā)射特征能較好地描述其損傷演化特性。

2) 在相同實(shí)驗(yàn)條件下，頻率較小時(shí)煤樣總的能量和能量率更大，說(shuō)明在整個(gè)壓裂過(guò)程中和單位時(shí)間的AE活動(dòng)水平和能量釋放更強(qiáng)，裂隙發(fā)育程度越高；壓裂液黏度越高，煤樣的總能量和能量率越低，說(shuō)明煤樣在整個(gè)壓裂過(guò)程中和單位時(shí)間的AE活動(dòng)水平和能量釋放更弱，裂隙發(fā)育程度較低。

3) 煤樣在提速期小尺度破裂所占比例大，在加速和平穩(wěn)期大尺度破裂所占比例大；在低頻或低黏情況下，煤巖AE振幅分布變化幅度較大，微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展較劇烈，且低頻或低黏條件下煤巖的整體上比高頻或高黏條件下煤巖的大，表明低頻或低黏條件下煤巖的大振幅AE事件所占比例較小。

致謝：

感謝中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、安全工程學(xué)院林柏泉教授課題組對(duì)本研究提供的支持和幫助。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on acoustic emission characteristics in coal seam pulse hydraulic fracturing

WU Jingjing1, 2, ZHANG Shaohe1, 2, SUN Pinghe1, 2, CAO Han1, 2, 3, CHEN Jiangzhan1, 2

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Non-ferrous Metals and Geological Environment Monitoring,Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Experiments on acoustic emission characteristics of the process of pulse hydraulic fracturing at different pulse frequencies and different fracturing fluid viscosities were carried out by the true tri-axial pulse hydraulic fracturing test system and the PAC AE instrument. The acoustic emission behavior evolution characteristics, the damage evolutionary rule and the dynamic feature ofwere analyzed. The results show that the evolution of acoustic emission behavior stimulated by pulse hydraulic fracturing in coal bed can be divided into four phases with time, including gentle period, acceleration period, boosting period and steady period. The accumulated average energy of acceleration period and boosting period increases respectively by 40.9 and 52.7 times compared with those of the gentle period. The damage evolution process can be divided into three phases, including initial damage period, damage development period and damage accelerating development period, and AE information can fairly reflect the damage evolution character of coal. Besides, a lower frequency corresponds to stronger AE energy release and higher fracture growth level, higher fracturing fluid viscosity corresponds to a smoother AE energy release and relatively lower fracture growth level, and also the variation of AE amplitude distribution is larger,is greater and proportion of larger AE events is smaller when the frequency or the fracturing fluid viscosity is lower during the fracturing process.

coal bed; pulse hydraulic fracturing; pulse frequency; fracturing fluid viscosity; acoustic emission (AE)

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.025

TE371；TD712

A

1672?7207(2017)07?1866?09

2016?09?10；

2016?11?20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41302124)；湖南科技大學(xué)頁(yè)巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(E21425)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015zzts066) (Project(41302124) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(E21425) supported by the Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization of Hunan University of Science and Technology; Project(2015zzts066) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

孫平賀，博士，講師，從事非開(kāi)挖、礦產(chǎn)地質(zhì)及非常規(guī)能源鉆進(jìn)技術(shù)研究；E-mail: pinghesun@gmail.com