0.   引　　言

随着人类对能源需求增大，煤层气、页岩气、地热等资源开发日益频繁，其中储层改造在资源开发中具有重要作用。脉动水力压裂是一种储层改造技术，是将压裂液脉动式泵入储层，促使岩体产生疲劳损伤，达到起裂压力低^[1-4]、裂缝缝网复杂的目的^[5-7]，一定程度上破解了常规水力压裂裂缝单一、易应力集中的缺陷，在石油^[8]、页岩气^[9]、煤层气^[10]、地热^[11]等领域得到试验和实践。林柏泉等^[12-15]在煤矿井下使用双柱塞脉动泵开展了脉动水力压裂工业性试验，瓦斯抽采效果明显提升，陈江湛等^[16]研究了先脉动水力压裂后常规压裂下页岩裂缝起裂扩展规律，发现脉动水力压裂使起裂压力最大降低了25.58%，使瞬态起始能量率降低了5.36% ～ 31.51%。仝少凯等^[17]研究了油气储层波动注入水力压裂人为诱发的“微地震”震源特性和力学机制，发现波动注入水力压裂能够人为诱发“微地震”，增加储层的“微裂缝”，扩大自然微地震的波及面积，增强压裂作业的增产效果。庄丽等^[18]分析了地热储层中循环注入水力压裂效果和机制，认为循环注入的疲劳损伤过程更为复杂。

脉动水力压裂中，脉动水力载荷的产生是关键，目前按照实现形式可以分为压力控制^[19]和流量控制^[20]。其中，压力控制式脉动水力压裂对幅值、频率、压力上限、压力下限等参数进行直接控制，如魏超等^[21]研究不同频率脉冲水压下裂缝扩展规律，认为低脉动频率的裂纹扩展比在高脉动频率的裂纹扩展更为复杂，而余旭等^[22]使用声发射、低场核磁共振和CT扫描等手段发现长周期脉动水力压裂比传统压裂产生了更多的裂缝和更高的孔隙率。流量控制式脉动水力压裂的主控参数为流量，输出的水力载荷受脉动参数、应力环境、裂缝、滤失等影响。目前，常见的双柱塞脉动泵^[23]、自激振荡^[24]、波动注入^[25]和循环泵注^[26]等方式的脉动水力压裂均属于流量控制。相比而言，在实验室开展基础研究时常采用压力控制式，而在工程应用中因其实现途径简易多采用流量控制式。通过研究流量控制式脉动水力压裂过程中泵注压力、声发射响应、裂缝演化等特征，探索流量控制式脉动水力压裂裂缝扩展机制，为脉动水力压裂技术的工艺参数优化提供支撑。

基于此，依托自主搭建的真三轴流量控制式脉动水力压裂试验系统，以砂岩试件为对象，开展不同泵注频率和泵注速率的脉动水力压裂物理试验，并与常规水力压裂进行对比，分析泵注压力、声发射特征及裂缝宏观破裂情况，探索泵注频率和泵注速率对脉动水力压裂裂缝起裂扩展的影响，以期为脉动水力压裂工艺参数优化提供指导。

1.   试验方法

1.1   试件制备

试件选择较为致密的砂岩，减少层理、天然裂隙和各向异性对裂缝扩展的影响。样品选取宁夏白芨沟煤矿南翼采区顶板砂岩，制备成标准试件进行基础力学参数测试，测试结果见表1。

表  1  基础力学参数

Table  1.  Basic mechanical parameters

材料类型	抗压强度/MPa	抗拉强度/MPa	弹性模量/GPa	泊松比
砂岩	80.30	4.58	6.96	0.28

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将所取的大块致密砂岩切割成边长为100 mm的正方体，端面用金刚石面研磨机进行抛光，确保端面误差不超过0.05 mm，随后使用外径14 mm的金刚石钻头在样品中心钻出一个50 mm深的钻孔。压裂管选用直径3 mm的不锈钢管，并用E44环氧树脂胶进行封孔，在钻孔末端预留10 mm的压裂段，如图1所示。试验试件选取无明显宏观裂纹或缺陷的岩样。

图  1  砂岩试件示意图和实物图

Figure  1.  Sandstone specimen schematic and physical drawings

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1.2   试验装置

真三轴脉动水力压裂试验系统包含真三轴加载系统、高压泵注系统、流量控制式脉动载荷发生系统和声发射监测系统4部分，如图2所示。

图  2  真三轴脉动水力压裂试验系统

Figure  2.  True triaxial pulsating hydraulic fracturing experimental system

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真三轴加载系统主要包括围压加载控制柜和压裂罐体2部分，最大轴向应力25 MPa，围压控制精度为满量程的0.25%。高压泵注系统由TC-260 L恒速恒压驱替泵、空压机和储水罐组成，最大泵注压力50 MPa，最大泵注速率100 mL/min。声发射监测系统采用DS5-8B全信息声发射信号分析仪进行监测。

流量控制式脉动载荷发生系统由气动调频控制系统、脉冲压力发生装置和空压机组成，输出压力为0～40 MPa，输出频率为0～5 Hz，输出为近似矩形波。流量控制式脉动载荷形成过程如下：由注水泵输出的稳流或稳压流体，经由脉冲压力发生装置变为脉动流体。通过脉冲压力发生装置中电磁阀的开与闭，控制管路中流体的泵注和停注，实现泵注压力循环往复的周期性输出。流量的泵注频率等于输出的水力载荷的脉动频率，泵注速率值和泵注速率的变化幅值相同。

1.3   试验方案与步骤

在与白芨沟煤矿岩层相近的应力环境下（$ {\sigma _{\mathrm{V}}} $=4 MPa，$ {\sigma _{\mathrm{H}}} $=3 MPa，$ {\sigma _{\mathrm{h}}} $=2 MPa），研究不同泵注频率和泵注速率的脉动水力压裂下砂岩裂缝演化特征，试验方案见表2。

表  2  试验方案

Table  2.  Experimental scheme

试件	泵注速率Q（mL·min−1）	泵注频率f/Hz
S1	50	常规压裂
S2	50	2
S3	50	3
S4	50	4
S5	40	2
S6	60	2

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试验步骤：

1）将试件正确地放入压裂腔室中，在试件4个面每个对角线上分别布置2个声发射探头，探头表面涂抹凡士林耦合剂；

2）进行围压加载，根据需要加载的目标应力值，设置分级加载，防止试件因加载不均匀发生破坏；

3）开展脉动水力压裂试验，设置好恒压恒流泵的流量和脉动发生装置的频率，同时启动恒压恒流泵、脉动发生装置及声发射设备；

4）当压裂液由试验装置漏出或者泵压曲线呈现大幅下降趋势且无法升高，说明试件发生宏观破裂，停止数据采集并停泵，卸载围压至0，取出试件。

5）对试验过程中泵注压力、声发射特征、裂缝破裂类型、裂缝宏观破裂形态进行分析。

2.   结果分析

2.1   泵注压力与声发射能量

采用声发射能量和累计能量来反映压裂过程中试件的声发射特征。所有试件的泵注压力、声发射能量及累计能量随时间变化如图3所示。

图  3  试件的泵注压力及声发射能量特征

Figure  3.  Pumping pressure and acoustic emission energy characteristics of specimens

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根据泵注压力将脉动水力压裂划分为4个阶段：压力平静期（Ⅰ）、上升期（Ⅱ）、下降期（Ⅲ）和稳定期（Ⅳ）。

压力平静期（Ⅰ）：试件压力初始为0，随后微微增加，这一时期压裂液逐渐充满压裂段，基本没有声发射信号。

压力上升期（Ⅱ）：由于憋压，脉动水力载荷持续作用到压裂孔周围，泵注压力循环往复波动上升，直到压力达到最大值，试件起裂。在此时期，相同泵注速率下，常规水力压裂（S1试件）表现出不同的特征：压力曲线增加迅速，压力上升趋势呈固定斜率的“线性”特征，而流量控制式脉动水力压裂的泵注压力增加速率逐渐变慢，整体趋势呈“外凸”特征，且泵注速率越大，“外凸”趋势越弱。声发射能量上，脉动水力压裂的比常规压裂更密集。泵注频率低时，整个时期中均有显著的声发射能量响应。而泵注频率较高时，声发射能量响应特征与常规水力压裂的最相似，声发射能量主要集中在裂缝起裂时。每个泵注压力循环所产生的声发射能量值随着泵注速率增大而增大。不同泵注速率下，泵注频率2 Hz的声发射能量值均更密集。

压力下降期（Ⅲ）：试件已起裂，裂缝逐渐扩展，流量控制式脉动水力压裂泵注压力波动下降。而常规水力压裂压力则出现一个陡然的下降，这是因为常规压裂起裂时裂缝扩展往往更为迅速。

压力稳定期（Ⅳ）：该阶段已产生宏观裂缝，并形成了稳定的水流通路，所有试件压力保持稳定变化，声发射能量值较小数量较稀疏，累计声发射能量缓慢增加。

将压裂过程中泵注压力的最大值定义为起裂压力，裂缝起裂扩展对应的压力降定义为跌落压力^[26]，裂缝起裂时所产生的最大声发射能量定义为起裂瞬态能量^[16]。所有试件起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量情况见表3和图4所示。流量控制式脉动水力压裂的起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量均小于常规水力压裂。这一点可能是脉动水力压裂与常规水力压裂较为明显的区别，究其原因，脉动水力压裂所产生的水力载荷循环往复作用于煤岩，不断产生冲击和疲劳损伤作用，不断产生微裂缝。随着冲击和损伤效果不断累积，直至试件起裂时微裂缝的连接和贯通形成宏观破裂，瞬时的应力集中和能量释放值较小，而常规水力压裂主要是在裂缝起裂时应力集中效应最强，释放较高的能量。

表  3  所有试件起裂压力、跌落压力和瞬态能量汇总

Table  3.  Summary of breakdown pressure, drop pressure and transient energy rate

试件	流量 Q/（mL·min−1）	频率 f/Hz	起裂压力/ MPa	瞬态能量/ (mV·ms)	跌落压力/ MPa
S1	50	常规	17.8	1015.0	14.6
S2	50	2	13.9	353.9	7.9
S3	50	3	14.4	395.6	8.7
S4	50	4	14.8	634.3	9.4
S5	40	2	11.1	181.6	7.0
S6	60	2	15.4	790.4	9.1

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图  4  试件的起裂压力、跌落压力和瞬态能量

Figure  4.  The initiation pressure, impact pressure, and transient energy rate of the specimen

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通过数据计算可以看出，泵注频率2、3、4 Hz的起裂压力相较于常规水力压裂的起裂压力值分别降低了21.9%、19.1%和16.9%，泵注频率越低起裂压力降低最显著。相同泵注速率下，脉动水力压裂的起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量随着频率的增大而增大，累计声发射能量随着频率的增大而减小；相同泵注频率下，脉动水力压裂的起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量随着泵注速率的增大而增大，累计声发射能量随着泵注速率的增大，先增大后减小。

2.2   脉动水力载荷特征值分析

为了详细的描述流量控制式脉动水力压裂水压的变化特征，提取脉动水力压裂载荷的波形特征参数：压力上限、压力下限、均值、幅值。在一个波形中，P_max为压力上限，P_min为压力下限，均值P_ave= (P_max + P_min)/2，幅值ΔP=P_max－P_min。对图3的泵注压力进行处理，得到图5泵注压力特征值曲线。脉动水力载荷的压力上限、均值、下限和幅值（这里均取最大值）汇总见表4。

图  5  试件的泵注压力特征值变化

Figure  5.  Variations in pump injection pressure characteristics of specimen

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表  4  泵注压力特征值汇总

Table  4.  Summary of injection pressure characteristic value

试件	流量Q（mL·min−1）	频率f/Hz	压力上限/MPa	压力均值/MPa	压力幅值/MPa	压力下限/MPa
S2	50	2	13.9	9.4	9.2	5.2
S3	50	3	14.4	12.8	6.6	11.3
S4	50	4	14.8	13.6	5.1	13.0
S5	40	2	11.1	7.5	7.3	3.7
S6	60	2	15.4	12.1	7.7	8.8

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从图5可以看出，在整个压裂过程中，压力上升期和稳定期在裂缝起裂扩展中起到了重要的作用。在压力上升期，裂缝起裂前，由于脉动水力载荷在压裂段中反射或叠加，流量控制式脉动水力压裂的压力特征值（上限、均值、下限和幅值）均逐渐增大，呈现为固定压力频率、升压力均值和幅值的坡形载荷，不同条件下特征值变化不同。随着泵注频率增大，泵注压力特征值（均值、下限和幅值）出现明显波动，这可能是由于频率越高，脉动载荷在压裂段中叠加越复杂，输出载荷越波动。随着泵注速率增大，泵注压力特征值增加的越迅速。不同条件的脉动水力压裂的起裂压力、均值、幅值和下限如图6所示，相同条件，起裂压力、下限和均值随着泵注频率或流量的增大而增大，压力幅值随着泵注频率的增大而减小，随着泵注速率的增加先增大后减小。

图  6  不同条件脉动水力压裂的泵注压力特征值

Figure  6.  Characteristic pressure values for pulsed fracturing at different conditions

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在压力稳定期，裂缝起裂后，脉动水力压裂泵注压力上限、下限、均值和幅值均稳定变化，呈现为固定压力上限、频率和幅值的水平循环形载荷。此阶段脉动水力压裂压力上限、下限和均值与泵注频率或速率成正比，压力幅值与泵注频率呈反比，与泵注速率呈正比，结果与朱葛等^[27-28]的数值模拟结果一致。

2.3   砂岩试件断裂类型分析

声发射信号可以用来分析岩石受载过程中微裂隙的演化和断裂模式，其中，RA（上升时间除以幅值）和AF（振铃计数除以持续时间）可以用来确定岩石破裂机制，张拉破裂的声发射事件具有较小的RA与较大的AF，剪切破裂的声发射事件则具有较大的RA与较小的AF，因此可以用AF-RA图来反应岩石破裂过程中张拉和剪切破裂的占比和趋势^[29]。AF-RA裂纹分类如图7所示。图中的参考线为张拉裂纹和剪切裂纹的分界线，其物理意义为该参考线上的AF和RA的值相等。参考线上方的点代表张拉裂缝，参考线下方的点代表剪切裂缝。

图  7  试件的声发射AF-RA图

Figure  7.  Acoustic emission AF-RA diagram of the specimen

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由图7可知，砂岩流量控制式脉动水力压裂的裂缝断裂模式是以张拉断裂为主的拉剪混合裂纹，和砂岩常规水力压裂的裂纹断裂模式近似一致^[30]。裂纹断裂类型占比可能主要受到岩性的影响，泵注频率和泵注速率对裂纹断裂类型的影响相对更弱。与常规水力压裂相比，流量控制式脉动水力压裂的剪切裂纹占比更大^[31]，裂纹更加多样；泵注频率2、3、4 Hz脉动水力压裂剪切裂纹的占比分别比常规压裂增多了17.8%、5.6%和13.1%。由于压裂的水力裂缝多为张拉裂纹，岩石干裂缝多为剪切裂缝，可能受到脉动水力压裂扰动应力的影响，产生了更多的干裂纹导致的。相同泵注速率下，剪切裂纹占比随着泵注频率的增大先减小后增大；而相同泵注频率下，剪切裂纹的占比随着泵注速率的增大而增大。

2.4   宏观裂缝形态分析

图8为所有试件压裂后的裂缝扩展情况，包括裂缝扩展方向和裂缝扩展面形态。由于施加的围压相同，流量控制式脉动水力压裂和常规水力压裂的裂缝扩展均是沿着最大主应力方向。沿着试件表面裂缝的扩展方向，把试件剖开，使用imageJ软件对染成红色的裂缝扩展面的面积进行计算。由图9不同条件试件的裂缝扩展面积可知，常规水力压裂的裂缝扩展面范围最小，流量控制式脉动水力压裂的裂缝扩展面范围更大，形态更复杂。相同流量时，泵注频率越低时的裂缝扩展形态最复杂，裂缝扩展面积最大，泵注频率2、3、4 Hz脉动水力压裂的裂缝扩展面积分别为常规压裂的3.3、1.8和1.3倍。相同频率下，泵注速率为50 mL/min时裂缝扩展面积最大，这一结果与刘乐等^[32]的研究结论一致。

图  8  试件的裂缝扩展方向和扩展面形态

Figure  8.  Crack propagation direction and morphology of specimen

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图  9  试件的裂缝扩展面积

Figure  9.  Crack propagation areas of the specimen

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3.   讨　　论

3.1   裂缝扩展机制

前文结果表明在相同应力环境、材料以及忽略压裂液滤失下，流量控制式脉动水力压裂裂缝起裂扩展时声发射能量响应、裂缝断裂类型及宏观裂缝形态主要是由加载到煤岩的脉动水力载荷造成的。

本文中流量控制式脉动水力压裂产生的脉动水力载荷在憋压起裂时为固定压力频率、升压力均值和幅值的坡形载荷^[33]，裂缝扩展时为固定压力上限、频率和幅值的水平循环形载荷^[34]，会对岩体产生更显著疲劳损伤、冲击和水楔效应。相较于常规水力压裂的裂缝起裂扩展，流量控制式脉动水力压裂起裂时起裂压力、应力集中和释放能量更小，且微裂纹不断形成和连接，裂缝形态复杂。

通过分析流量控制式脉动水力压裂裂缝起裂扩展过程中脉动水力载荷的特征值，发现相同泵注速率下，单位时间的压力增速相等，泵注频率越低，单位时间循环次数越少，脉动冲击效应越弱。循环的周期越长，脉动压力幅值越大，每个循环所造成的损伤效果和应力扰动越大，高泵注频率效果则相反。相同泵注频率，泵注速率越低，压力的增速减小，载荷的整体强度减小，压力幅值减小，造成的疲劳损伤和应力扰动也减小。载荷强度随着泵注速率的增大而增大，压力幅值随着泵注速率的增大先增大后减小。泵注速率和泵注频率共同影响了输出的脉动水力载荷，其中载荷强度决定了起裂时的应力集中和诱发的微地震的风险，压力幅值更大程度上影响了脉动压裂的裂缝扩展效果，但压力幅值受到载荷强度的影响。通过控制泵注速率和泵注频率，输出具有合适强度、幅值与频率的脉动水力载荷，从而更好的控制裂缝的起裂和扩展效果。

3.2   工程应用分析

脉动水力压裂技术目前主要用于储层改造中，应用目的以形成复杂裂缝网络为主。因此，以上机制的分析为脉动水力压裂技术的工艺参数优化提供理论支撑。主要体现在脉动压裂装置选型，压裂参数控制以及压裂效果解释等环节。

脉动压裂装置选型方面，前文提到工程应用中常采用流量控制式脉动水力压裂，而依据脉动水力载荷的发生形式，又分为泵源脉冲式、管段脉冲式和通过频繁起停泵、循环泵注等变流量注入式。以泵源式为例，依靠柱塞泵的往复运动实现脉动压力输出，其流量和压力相对较小，频率范围在8～25 Hz，常用在煤矿井下开展脉动水力压裂。而管段式和频繁起停泵、循环泵注等变流量方式 ，流量和压力更大，频率和幅值范围更广，在地面井脉动水力压裂中使用。对于脉动装置的选型，主要根据想要达到的流量或压力的强度、频率和幅值等参数的范围作为选择的依据。

压裂参数控制方面，单纯的使用固定频率、幅值的压力或流量的优势不显著的， 不同参量组合下才能更好的实现高效的压裂，如在压力平静期，采用“高流−高频”注水^[35]，快速注满原始裂缝，同时控制泵注压力上限不超过60%最大泵注压力，而在压力上升期，裂缝起裂扩展时，“高流−低频”泵注，持续输出“高压−高幅−低频”脉动水力载荷，流量要足够达到相应的压力和幅值；在压力稳定期，丰富裂缝发育时，“低流−低频”泵注，输出“低压−低幅−低频”脉动水力载荷，输出压力上限在最大泵注压力的60%～75%，压力幅值与压 力上限的比值在60%左右，充分促进主裂缝周围裂隙的扩展和发育。当现场施工压裂位置距泵组设备较远时，管道直径及长度会影响脉动压力的传播，导致作用到钻孔的脉动压力与泵站处的脉动压力不同^[36]。所以现场压裂参数控制时，需要综合管道对脉动压力的影响，调整泵注速率和泵注频率，输出合适的脉动压力，达到高效增透的目的。

压裂效果解释方面，对于压裂后裂缝网络展 布和增透增产评价，整个压裂过程中的泵注压力响应是一个重要的评价指标，压裂过程中裂缝起裂扩展会引起泵注压力的实时变化。如裂缝起裂时压力的陡降程度和裂缝扩展时脉动压力幅值的变化，一定程度上可以说明裂缝的起裂扩展情况，进而评价压裂后的增透效果。

4.   结　　论

1）分析了流量控制式脉动水力压裂的压力和声发射能量变化规律，通过压力变化将其压裂过程划分为平静、上升、下降和稳定期四个阶段，上升期，压力脉动递增，但增速逐渐变缓，呈外凸型趋势；相较于常规水力压裂，流量控制式脉动水力压裂过程中的声发射能量更加密集，起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量更低，其中起裂压力降低了16.9%～21.9%。相同条件，脉动水力压裂的起裂压力、跌落压力和起裂瞬态能量随着泵注频率、泵注速率的增大而增大。

2）流量控制式脉动水力压裂的压力变化更加复杂，在憋压起裂时为固定压力频率、升压力均值和幅值的坡形载荷，裂缝扩展时为固定压力上限、频率和幅值的水平循环形载荷；相同条件，流量控制式脉动水力压裂的压力上限、下限和均值与泵注频率、泵注速率呈正相关，压力幅值与泵注频率呈负相关，随着泵注速率的增大先增大后减小。

3）得到了砂岩流量控制式脉动水力压裂的裂缝断裂为以张拉裂纹为主的拉剪混合断裂模式，其剪切裂纹的占比较常规水力压裂提高了5.6%～17.8%，裂缝类型更加多样，其裂缝扩展面积比常规压裂的更大。相同泵注速率下，裂缝扩展面积随着频率的增大而减小；相同泵注频率下，裂缝扩展面积随着泵注速率的增大先增大后减小。

4）流量控制式脉动水力压裂的裂缝起裂扩展效果主要是由加载到煤岩脉动水力载荷造成的，泵注速率和泵注频率共同影响了输出的脉动水力载荷。工程应用时，为达到良好的压裂效果，设计压裂参数时，也要保证输出的脉动水力载荷具有足够的强度和幅值。