葉功勤，曹 函，高 強(qiáng)，陳 裕，孫平賀?，張紹和

1) 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙410083 2) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083 3) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢430074

煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，在我國的儲(chǔ)量巨大，具有良好的開采前景. 煤層氣的開采對改善我國能源結(jié)構(gòu)和減少環(huán)境污染具有巨大的促進(jìn)作用，對我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展也具有重要的意義[1]. 煤層氣儲(chǔ)層具有低壓、低滲、低飽和度的特點(diǎn)，所以改善煤層氣儲(chǔ)層的滲透性能，是提高采氣量的重要手段[2]. 在煤層氣的開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤粉，煤粉聚集于裂隙中，成為影響煤層氣滲透性能的重要因素之一. 所以解堵對于提高煤層氣的開采效率具有重要意義.

目前，常用的解堵方式主要為化學(xué)解堵和水力解堵. 化學(xué)解堵是通過表面活性劑改變煤屑與水的界面張力，使得煤屑易于被水?dāng)y帶到地面，達(dá)到解堵的目的. 而傳統(tǒng)的水力解堵是通過高壓沖出煤屑，以達(dá)到解堵的目的. 雖然與化學(xué)解堵相比，水力解堵具有更少的污染和更低的成本，但是由于過高的解堵壓力，該技術(shù)仍具有諸如高能耗和低效率等缺點(diǎn). 同時(shí)，傳統(tǒng)的水力解堵技術(shù)所需的高壓水泵體積大、泵管要求高. 因此，如何降低臨界解堵壓力對于煤巖解堵具有重要意義. 相比之下，脈動(dòng)解堵方法可有效降低解堵壓力，且具有更好的解堵效率. 除傳統(tǒng)水力壓裂引起的楔形破壞外，脈動(dòng)壓力下煤層的疲勞和累計(jì)損傷還增強(qiáng)了疏松效果.

水力脈動(dòng)作用最開始運(yùn)用于20世紀(jì)60年代，德國某礦井曾利用脈動(dòng)注水方式來疏松煤層，取得了良好的效果[3-4]. 20世紀(jì)80年代末前蘇聯(lián)和美國開始著手研究利用振動(dòng)法改造油層的可能性，取得了相關(guān)進(jìn)展. 而后學(xué)者們主要從脈動(dòng)壓力在裂縫中的傳播特征和水力脈動(dòng)應(yīng)用及其機(jī)理2個(gè)方面展開了相關(guān)研究.

脈動(dòng)壓力在裂縫中的傳播十分復(fù)雜，會(huì)受到裂縫形態(tài)、脈動(dòng)信號和邊界條件的影響. 其中堵塞物和堵塞程度會(huì)顯著的影響脈動(dòng)壓力的傳播路徑[5-6]. 而不同的脈動(dòng)信號效果也不盡相同，如矩形脈動(dòng)信號能產(chǎn)生明顯的水錘效應(yīng)[7-8]. 脈動(dòng)波的傳播是縫隙中低頻脈動(dòng)壓力與水力瞬變引起的高頻脈動(dòng)共同作用的結(jié)果[9-10]. 并且狹小的傳播環(huán)境增強(qiáng)了波在傳播過程的相互作用，使裂隙中某點(diǎn)的脈動(dòng)壓力是由裂隙內(nèi)壓力波及其反射波相互疊加作用的結(jié)果，并會(huì)引發(fā)壓力波的高頻震蕩和共振現(xiàn)象[11-12]. 在應(yīng)用方面，趙振保[13]、翟成等[14]、李賢忠等[15]提出脈動(dòng)水力壓裂，并將其應(yīng)用于煤層增透. 同時(shí)他們從力學(xué)角度出發(fā)，認(rèn)為疲勞損傷是脈動(dòng)水力壓裂增透的重要機(jī)理. 倪冠華等[16]探討了從電磁學(xué)角度研究脈動(dòng)水力壓裂的可能性，提供了不同的研究思路. 在此基礎(chǔ)上，李全貴等[8]和陸沛青等[17]研究了不同壓裂方式和不同參數(shù)組合對壓裂效果的影響.

通過上述的研究可知，目前脈動(dòng)水力壓裂技術(shù)研究主要集中在脈動(dòng)波的傳播和破巖機(jī)理上，以及應(yīng)用于制造人工裂縫以改善低滲煤層，而對于脈動(dòng)波頻率的影響以及解堵的應(yīng)用的相關(guān)研究還基本沒有. 因此，本文提出了一種通過脈動(dòng)水力壓裂將煤層中的巖屑疏松的新方法. 對在預(yù)制單縫中充滿煤屑的煤巖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以評估脈動(dòng)水力對解堵效果的影響. 在測試中，測量了不同脈動(dòng)頻率下的解堵壓力，煤屑的運(yùn)移情況，并觀察了滲流路徑和滲透半徑. 最后，基于測試數(shù)據(jù)，探討了脈動(dòng)解堵和常規(guī)解堵在煤巖中的解堵效果.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用的是自行研制的室內(nèi)可調(diào)頻脈動(dòng)水力壓裂系統(tǒng)（圖1）. 具有脈沖頻率精確可控、脈動(dòng)流量符合室內(nèi)試驗(yàn)要求、脈動(dòng)效果顯著且管段沿程壓力損失小的特點(diǎn). 研究了疏松壓力、煤屑運(yùn)移、疏松痕跡和滲流半徑. 脈動(dòng)解堵的過程包括在液固界面上產(chǎn)生的疲勞損傷和楔形損傷，脈動(dòng)應(yīng)力波激發(fā)的振動(dòng)會(huì)松動(dòng)煤屑壁，從而迅速解堵并形成滲流路徑（如圖2所示）.

圖1 水力脈動(dòng)解堵試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Pulse hydraulic unblocking test system

圖2 水力脈動(dòng)解堵機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the unblocking mechanism with pulse hydraulic fracturing

脈動(dòng)壓裂系統(tǒng)（圖1）由脈動(dòng)控制模塊、注液模塊和監(jiān)測模塊組成. 脈動(dòng)控制模塊(F1,F2,F3)包含控制端和電磁閥. 控制端通過脈動(dòng)信號來控制電磁閥的交替工作，以精確地獲得脈動(dòng)頻率，最大精度為0.02 Hz. 注液模塊包含泵、緩沖器和水箱，以提供穩(wěn)定的注液流量，其最大輸出液量為 80 L·h-1，精度為 0.1 mL·s-1. 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，使用監(jiān)控模塊測量流量、解堵壓力和煤粉運(yùn)移量.

1.2 試樣制備

本次試驗(yàn)采用的是人工制作的煤巖相似樣.而煤巖原巖來源于湘西北露天礦床，屬于二疊系龍?zhí)睹合甸_挖剖面的低階煤巖（厚度為120 m）. 煤巖相似樣以膠結(jié)材料（石膏和水泥）、石英砂、煤粉為原料，其材料質(zhì)量比值為m(膠結(jié)材料)∶m(石英砂)∶m(煤粉)=1∶0.83∶1.17. 制備的煤巖相似樣兼顧物理力學(xué)性質(zhì)與原煤巖性能的相似性，相關(guān)物理參數(shù)見表1.

表1 原巖和相似巖樣物理參數(shù)比較Table 1 Comparison of physical parameters of the original rock and of similar rock samples

制備的試樣尺寸為300 mm×300 mm×120 mm，共制作7組. 并預(yù)先在試樣中部設(shè)置長120 mm×1.5 mm×120 mm的平直裂縫，裂縫貫穿至巖樣表面，裂縫形態(tài)與注液方向平行. 之后對試樣的預(yù)制單縫進(jìn)行煤粉充填，模擬裂隙被煤粉充填受堵的狀態(tài)，最后完成預(yù)制裂縫一側(cè)貫通面密封（圖3）. 煤巖通過粉碎機(jī)打成粉末，并采用土工篩進(jìn)行篩選以保證煤粉粒徑≦0.5 mm. 為了保證煤粉在縫內(nèi)充填緊實(shí)均勻，將煤粉分三次充填. 充填過程中先用細(xì)刷和1 mm直徑鋼絲將煤粉沿裂隙長軸均勻送至孔內(nèi)，然后采用厚度1.5 mm帶刻度鋼尺進(jìn)行壓實(shí)，確保每次煤份壓實(shí)深度為4 cm. 如此三次后，完成煤粉充填.

圖3 煤粉充填后的試樣和示意圖（單位：mm）Fig.3 Sample with coal filling and its schematic diagram (unit: mm)

1.3 試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)采用可調(diào)頻脈動(dòng)注液系統(tǒng)對試樣開展脈動(dòng)壓力解堵試驗(yàn). 選擇清潔壓裂液體系作為水力解堵介質(zhì)，壓裂液黏度為15 mPa·s，注液速度控制在10 mL·s-1，解堵總時(shí)間為60 s；據(jù)前期研究和同課題組人員論證[18-20]，選擇適于該煤巖儲(chǔ)層的3組低頻脈沖頻率（1，3和5 Hz）和1組定常液注液（0 Hz），相關(guān)參數(shù)見表2.

表2 解堵試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Table 2 Unblocking test scheme

在設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，進(jìn)行試驗(yàn). 將試件裝入試驗(yàn)臺(tái)，在導(dǎo)流管后接軟管通入燒杯中，用以盛放解堵試驗(yàn)過程中運(yùn)移的煤粉. 在試驗(yàn)開始前調(diào)整注液系統(tǒng)的平均輸出流量為10 mL·s-1，開始試驗(yàn)時(shí)同時(shí)采集流體的壓力數(shù)據(jù)，并控制解堵注液時(shí)間為60 s.

試驗(yàn)完成后，取出燒杯，記錄下質(zhì)量. 然后將燒杯放在加熱爐上先進(jìn)行初次蒸干，再放入烘箱在105 ℃條件下烘干4 h，稱量解堵運(yùn)移出的煤粉質(zhì)量. 并且在試驗(yàn)完成的同時(shí)，取下試驗(yàn)臺(tái)上的試件，對其縫內(nèi)煤粉運(yùn)移狀態(tài)進(jìn)行記錄（圖4）.

圖4 煤粉收集（a）和烘干（b）Fig.4 Coal cutting collection (a) and drying (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 解堵壓力曲線分析

如圖5（a）所示，定常流解堵壓力曲線的特點(diǎn)為曲線隨時(shí)間變化分為三個(gè)階段. 壓力上升階段：壓裂液持續(xù)輸入煤粉充填的裂隙中，由于煤粉碎屑的充填阻礙了壓裂液的滲透，使壓力持續(xù)上升，當(dāng)上升壓力克服煤粉碎屑阻力時(shí)，壓力曲線進(jìn)入第二階段. 壓力階梯下降階段：在流體壓力的持續(xù)推動(dòng)下，碎屑物沿裂隙向遠(yuǎn)端導(dǎo)流孔逐漸運(yùn)移，形成主要滲流通路后縫內(nèi)壓力衰落. 第三個(gè)階段：形成穩(wěn)定的滲流路徑，壓力波動(dòng)穩(wěn)定.

圖5（b）～圖 5（d）為解堵試驗(yàn)進(jìn)行 60 s的脈動(dòng)解堵壓力曲線. 從圖中可以看出，脈動(dòng)解堵壓力隨時(shí)間的變化也可分為三個(gè)階段：壓力上升階段、壓力下降階段和壓力波動(dòng)穩(wěn)定階段. 其對應(yīng)解堵過程的三個(gè)階段：流體充滿但未形成通路，在裂隙中憋壓；形成滲流通路，煤粉隨壓裂液流出，壓力快速下降；脈沖流體形成穩(wěn)定滲流通路，脈動(dòng)壓力波動(dòng)穩(wěn)定. 這與定常流下壓力變化趨勢相似，但脈動(dòng)壓力作用下解堵壓力的閥值低于定常流作用下的壓力閥值；壓力在下降過程中的壓降速率較??；壓降后呈現(xiàn)穩(wěn)定的壓力波動(dòng)狀態(tài).

圖5 解堵壓力曲線. （a）0 Hz 壓力曲線；（b）1 Hz 壓力曲線；（c）3 Hz壓力曲線；（d）5 Hz 壓力曲線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

從表3中可以看出，隨頻率的增加壓力峰值降低，壓降幅度變小，壓降時(shí)間變短. 在脈動(dòng)壓力解堵過程中，疲勞累計(jì)損傷作用和脈動(dòng)波的振蕩作用是兩大重要的主導(dǎo)因素[21]. 在重復(fù)、循環(huán)或交變的載荷作用下，壓裂液對煤粉進(jìn)行反復(fù)的沖擊，產(chǎn)生交變應(yīng)力從而達(dá)到疲勞破壞的效果[22-23]. 交變載荷作用下巖石的強(qiáng)度和變形規(guī)律與靜載荷作用下存在明顯差距. 這使得在脈動(dòng)壓力作用下只需達(dá)到較低的壓力門檻值，即可產(chǎn)生定常流作用下較高壓力的解堵效果[24-26]. 脈動(dòng)作用下的脈動(dòng)壓力隨時(shí)間而變化，其脈動(dòng)壓力可以表示為：

式中， σ (t)表示脈動(dòng)壓力，f表示頻率，t表示時(shí)間，A,B,φ表示常數(shù).

在脈動(dòng)解堵過程中，壓力交替變化產(chǎn)生疲勞損傷作用，并表現(xiàn)出非線性特征. 通過交變應(yīng)力的非線性疲勞模型Corten-Dolan模型來描述脈動(dòng)解堵過程中的疲勞損傷作用. 在每個(gè)脈動(dòng)周期中波的波峰和波谷的壓力分別等于Corten-Dolan模型中的 σ1和 σ2(σ1＞σ2). 在壓力升高階段，由于多重應(yīng)力引起的疲勞破壞，會(huì)使煤屑的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致解堵壓力減小. 疲勞損傷D與交替應(yīng)力，σ1σ2之間的關(guān)系可以表示為：

式中，d1表示 σ1應(yīng)力水平下的損傷核數(shù)，r1表示裂隙擴(kuò)展系數(shù)，Nf表示總循環(huán)次數(shù)，a,b表示實(shí)驗(yàn)常數(shù).

根據(jù)上述公式可知，煤粉的累計(jì)損傷受到交變應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的控制. 要達(dá)到相同的損傷，交變應(yīng)力的比值與循環(huán)總數(shù)成反比，同時(shí)Nf為時(shí)間和頻率的函數(shù). 這就表明單位時(shí)間內(nèi)隨著頻率的提高交變應(yīng)力比值減小，解堵壓力降低. 同樣，交變應(yīng)力比值越低，Nf越大. 則在壓力曲線中表現(xiàn)出到達(dá)峰值壓力的時(shí)間與頻率的乘積隨頻率增加而增加（表 3）.

表3 不同頻率解堵壓力參數(shù)Table 3 Unblocking pressure under different frequencies

同時(shí)，應(yīng)力波在煤屑中的傳播伴隨著能量的傳遞. 脈動(dòng)應(yīng)力波激發(fā)的振動(dòng)使煤屑松動(dòng)，進(jìn)一步削弱了煤屑的黏結(jié)強(qiáng)度，降低了解堵壓力. 脈動(dòng)波的傳播過程可以用等式（3）表示，它顯示了不同位移處的波形與平衡位置和時(shí)間的關(guān)系. 而等式（4）表示單位體積的能量隨時(shí)間和位置而變化關(guān)系.通過等式（4）表明在恒定振幅下，頻率控制著脈動(dòng)能量的大小. 單位體積的最大能量與頻率的平方成正比使得最大解堵壓力隨著脈動(dòng)頻率的增加而降低，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

式中：W表示脈沖過程產(chǎn)生的總能；ξ表示質(zhì)點(diǎn)位移；C表示振幅；f表示頻率；x,v表示質(zhì)點(diǎn)位置和波速；wk,wp表示單位體積的動(dòng)能和勢能；ρ（ΔV）表示單位體積的密度.

2.2 煤粉運(yùn)移過程分析

在煤粉的運(yùn)移過程中，定常流作用下縫內(nèi)煤粉的運(yùn)移主要維持在壓力下降階段. 在壓力衰減至維持穩(wěn)定后，導(dǎo)流管流出的壓裂液成色清澈，只攜帶少量的煤粉（圖6）. 脈動(dòng)流體在壓力波動(dòng)穩(wěn)定期，仍有煤粉持續(xù)運(yùn)移出導(dǎo)流管，其煤粉運(yùn)移過程延續(xù)時(shí)間較定常流試驗(yàn)的延續(xù)時(shí)間長. 這是因?yàn)樵趬毫押笃诒M管已經(jīng)形成穩(wěn)定通路，但是脈動(dòng)水流仍然能形成脈動(dòng)波，使裂隙周圍煤粉松動(dòng)剝落被壓裂液攜出. 而定常流在形成穩(wěn)定通路之后，壓裂液對煤粉的滲透擠壓作用消失，壓裂液從滲流通道直接流出，所以不能持續(xù)的帶出煤粉.

圖6 解堵過程中煤粉運(yùn)移情況. （a）定常流壓力下降期；（b）定常流壓力衰減后；（c）脈沖流壓力波動(dòng)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

盡管脈沖流體的煤粉運(yùn)移時(shí)間更長，但是從攜帶出的煤粉質(zhì)量來看（見圖7），脈動(dòng)頻率1 Hz時(shí)帶出的煤粉最多，高于定常流帶出的煤粉，而在3 Hz、5 Hz時(shí)比定常流時(shí)少. 對比兩種作用可以看出，在本試驗(yàn)條件下，脈沖流體在煤粉運(yùn)移量上與定常流相比并沒有優(yōu)勢.

圖7 不同頻率下煤粉運(yùn)移質(zhì)量Fig.7 Coal cutting mass transported at various frequencies

根據(jù)煤粉的運(yùn)移過程來看，無論是脈動(dòng)流還是定常流，煤粉被大量運(yùn)移都主要發(fā)生在壓力下降階段. 在煤粉的壓力波動(dòng)穩(wěn)定階段，定常流基本無煤粉繼續(xù)運(yùn)移出來，而脈動(dòng)流體仍有煤粉繼續(xù)運(yùn)移出來，但量不大.

結(jié)合脈動(dòng)壓力曲線和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比分析，煤粉的運(yùn)移主要是受壓力下降和壓力峰值的影響. 在定常流流體對縫內(nèi)煤粉產(chǎn)生滲透擠壓作用，其解堵壓力閥值高，壓力梯度大，運(yùn)移速度快，瞬時(shí)運(yùn)移煤粉的量大；而脈沖流的流體具有波動(dòng)變化，在脈動(dòng)作用下解堵壓力閥值較低，第二階段的壓力下降延續(xù)時(shí)間短，煤粉運(yùn)移量相對定常流作用下的第二階段較少，但在第三階段脈動(dòng)作用下仍有煤粉運(yùn)移出來，整體來看定常流和脈動(dòng)流體運(yùn)移量相當(dāng). 脈動(dòng)作用下的煤粉運(yùn)移量函數(shù)可表示為：

式中，G（t）為煤粉運(yùn)移總量；t0表示脈沖初始階段時(shí)長；gini表示峰值期運(yùn)移量；gswi表示波動(dòng)期運(yùn)移量；n為與充填碎屑黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)的系數(shù)；Δp表示壓降幅值. 從公式來看，煤粉運(yùn)移受到時(shí)間和壓力變化的雙重控制，其中壓降時(shí)間是主要控制因素，煤粉運(yùn)移質(zhì)量也與其呈現(xiàn)良好的相關(guān)性（圖8）.

圖8 壓降時(shí)間與煤粉運(yùn)移質(zhì)量曲線Fig.8 Curve of the pressure drop time and coal cutting transport quality

2.3 充填裂隙解堵路徑

在解堵試驗(yàn)完成后，取下試件，分別沿預(yù)制裂隙長軸方向劈開，觀察解堵過程中煤粉的運(yùn)移通道；沿垂直預(yù)制裂隙走向方向截?cái)?，觀察解堵過程中壓裂液在裂隙周圍沿徑向的滲透半徑，用以分析充填裂隙的解堵狀態(tài).

如圖9所示，定常流作用下，壓裂液慢流于裂隙中，并朝著受力薄弱點(diǎn)滲透推進(jìn)，所以壓裂液的液流路徑復(fù)雜曲折. 而脈動(dòng)作用下，壓裂液的脈動(dòng)壓力對煤粉具有沖擊作用，脈動(dòng)波在流體中的傳播加強(qiáng)流體對流固界面的破壞作用，同時(shí)應(yīng)力波的傳播使得煤粉發(fā)生振動(dòng)進(jìn)而使煤粉松動(dòng)，使得壓裂液在裂隙中的滲入更具有方向性、速度也更快，所以脈動(dòng)作用下的滲流路徑更加平直. 根據(jù)相關(guān)研究表明，脈動(dòng)波在傳播過程中會(huì)發(fā)生反射和疊加. 脈動(dòng)波的反射疊加會(huì)導(dǎo)致煤巖局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中或降低的現(xiàn)象[7-8]，這使得脈動(dòng)作用下的滲流路徑寬度變化十分劇烈. 在應(yīng)力波干涉疊加相增位置滲流路徑變寬，應(yīng)力波干涉疊加相消位置路徑變窄；而定常流作用下為穩(wěn)定流，無干涉現(xiàn)象，所以滲流路徑寬度變化較小.

圖9 不同頻率下解堵路徑. （a）0 Hz液流路徑；（b）1 Hz液流路徑；（c）3 Hz液流路徑；（d）5 Hz 液流路徑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

2.4 壓裂液沿徑向的滲流狀態(tài)

如圖10所示，為垂直預(yù)制裂縫剖開后顯示壓裂液沿徑向滲透狀態(tài). 在充填型裂隙的解堵過程中，壓裂液向裂縫周圍發(fā)生滲透，從圖中可以看出各頻率下壓裂液沿裂隙壁面的滲透深度分別約為：0 Hz為 20 mm、1 Hz為 10 mm、3 Hz為 5 mm、5 Hz為10 mm. 由此可見，定常流作用的解堵過程，其壓裂液滲透半徑高于脈沖流的滲透半徑.

圖10 不同頻率下滲透狀態(tài). （a）0 Hz 滲透狀態(tài)；（b）1 Hz 滲透狀態(tài)；（c）3 Hz滲透狀態(tài)；（d）5 Hz 滲透狀態(tài)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

壓裂液的滲透作用受到解堵狀態(tài)和壓力梯度的控制. 在煤巖解堵的第一個(gè)階段，縫內(nèi)壓力逐漸升高，壓裂液逐漸向裂隙內(nèi)充填的煤粉滲透潤濕，然后繼續(xù)向周圍壁面滲透. 當(dāng)縫內(nèi)煤粉逐漸被擠壓，直至液流路徑導(dǎo)通后，憋壓狀態(tài)逐漸緩解，滲透作用減弱. 因而在裂隙的解堵過程中，壓裂液的滲透主要發(fā)生在壓力上升至壓力峰值階段. 對比于定常流解堵，脈動(dòng)流解堵的液體通路形成時(shí)間更早，即裂縫內(nèi)憋壓時(shí)間更短，引起的壓裂液滲透時(shí)間短，因而形成的滲透半徑更小. 此外，定長流作用下壓力梯度比脈動(dòng)作用下的壓力梯度更高，根據(jù)相關(guān)研究，壓力梯度更高，壓裂液在試樣中的滲流能力更強(qiáng)、速度也更快[27-28]，從而脈動(dòng)壓裂過程其滲透所造成的儲(chǔ)層傷害也相對較小.

3 結(jié)論

本文通過對充填型煤巖單縫水力脈動(dòng)解堵過程的注液壓力、煤粉運(yùn)移、解堵路徑和徑向滲透半徑的分析，得出以下結(jié)論：

（1）脈動(dòng)流體解堵壓力曲線隨時(shí)間的變化分為三個(gè)階段：壓力上升階段、壓力下降階段和壓力波動(dòng)穩(wěn)定階段. 與定常流液體解堵相比脈動(dòng)流體的解堵閥值更低，且隨頻率的增加解堵閥值降低，壓降幅度變小，壓降時(shí)間變短. 同時(shí)，脈動(dòng)波的疲勞損傷作用和振蕩作用是脈動(dòng)解堵的主導(dǎo)因素，并能很好的解釋壓力曲線的變化特征.

（2）裂隙中煤粉的運(yùn)移，均主要發(fā)生在壓力下降階段，但在壓力波動(dòng)穩(wěn)定階段仍有少量煤粉運(yùn)移. 煤粉運(yùn)移質(zhì)量與壓降時(shí)間存在良好的正相關(guān)關(guān)系. 在本試驗(yàn)條件下，最終煤粉的運(yùn)移量，兩種方式運(yùn)移結(jié)果相當(dāng).

（3）相對定常流，脈動(dòng)作用下壓裂液攜帶煤粉的運(yùn)移路徑更為簡單平直. 且由于應(yīng)力波的相互干涉，使脈動(dòng)作用下的液流路徑寬度變化十分劇烈，應(yīng)力增大位置滲流液流路徑變寬，應(yīng)力降低位置路徑變窄，定常流作用下滲流路徑寬度變化較小.

（4）在裂隙的解堵過程中，壓裂液的徑向滲透主要發(fā)生在壓力升高至峰值階段，對比于定常流解堵，脈沖解堵滲流通路的形成時(shí)間短，滲透半徑小，從而使得脈動(dòng)作用下壓裂液滲透所造成的儲(chǔ)層傷害也較小. 綜合考慮解堵壓力、煤粉運(yùn)移、解堵滲透路徑和解堵滲流深度，在3 Hz條件下解堵效果最好.