煤巖脈動水力壓裂過程中聲發射特征的試驗研究

吳晶晶，張紹和，孫平賀，曹函, 3，陳江湛

煤巖脈動水力壓裂過程中聲發射特征的試驗研究

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. 中南大學有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南長沙，410083；2. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083；3. 湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭，411201)

利用真三軸加載脈動水力壓裂試驗系統和PAC聲發射儀，開展不同注液頻率和不同壓裂液黏度條件下煤巖脈動水力壓裂過程的聲發射(AE)試驗研究，揭示煤巖脈動水力壓裂過程中聲發射參數、損傷演化規律及震級?頻度關系參數的動態特征。試驗結果表明：煤巖在脈動水力壓裂過程中，聲發射行為演化過程可劃分為平靜期、提速期、加速期和穩定期4個階段，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；煤巖損傷演化過程可分為初始階段、損傷發展階段及損傷加速發展階段，煤巖的聲發射特征能較好地描述其損傷演化特性；脈動頻率較低時煤樣的AE活動水平和能量釋放越強，裂隙發育程度越高；當壓裂液黏度較高時，煤樣的AE活動水平和能量釋放越弱，裂隙發育程度較低；在煤巖脈動壓裂整個過程中，當脈動頻率或壓裂液黏度較低時，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；脈動水力壓裂；脈沖頻率；壓裂液黏度；聲發射

脈動水力壓裂技術是在普通水力壓裂技術的基礎上提出的一種新的增透技術[1]，是將恒壓水通過脈動泵后輸出具有周期性的脈沖射流，以強烈的交變壓力作用于煤體，在煤層內產生周期性張壓應力，促使煤體裂隙發育[2]。目前，脈動水力壓裂技術已在國內一些礦井進行了工業性試驗應用。林柏泉等[3?4]研究了高壓脈動水破煤巖機理；LI等[5]通過室內實驗研究了脈動參量對脈動水力壓裂致裂效果的影響；趙振保[6]通過現場實驗證明脈動式高壓注水技術能有效地提高煤層透氣性，增大瓦斯抽采量。但人們對脈動水力壓裂過程中聲發射特征的研究較少，而聲發射[7?9]作為煤樣壓裂過程中的一種伴生現象，蘊含著煤巖壓裂破壞過程中的許多信息，研究煤巖壓裂過程中聲發射時間序列參數，可推斷煤巖內部的形態變化，反演煤巖脈動水力壓裂機理及裂隙擴展程度。另外，在壓裂過程中，脈動頻率和壓裂液黏度分別是施工過程中重要的施工參數和壓裂液流變參數，均是影響壓裂效果的可控因素[10]。為此，本文作者采用聲發射和壓力測試系統收集煤巖在脈動水力荷載作用下的聲發射信息和注入壓力，從而研究煤巖壓裂過程中損傷演化特性，同時重點考察不同脈動頻率或壓裂液黏度條件下煤巖脈動水力壓裂的聲發射行為特性響應差異，進一步揭示脈動水力壓裂機理，以便為脈動水力壓裂技術在煤層氣井的現場實施提供依據。

1 煤層脈動水力壓裂模擬試驗

1.1 試驗準備及裝置

1.1.1 試驗系統

采用真三軸加載脈動水力壓裂實驗系統進行煤層脈動水力壓裂試驗，試驗系統由脈沖注液系統、三軸加載系統、監測系統和控制系統組成(見圖1)，其中聲發射測試儀采用美國物理聲學公司生產的PCI-2聲發射檢測系統。本次聲發射試驗的采樣頻率為10 MHz，8個聲發射傳感器(1~8號)分別固定在4塊加壓板預留的凹槽內，并在加壓板上以對角線形式布置，其頻域為125~750 kHz，通道前置放大器增益均為40 dB。在模擬壓裂過程中，數據采集系統可自動監測和記錄脈動壓裂過程中壓力、聲發射信號、注水時間等參數，從而對壓裂過程進行監測。

1.1.2 試件制備

試驗用原狀煤及試件示意圖和巖樣圖見圖2。壓裂試驗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龍潭組3號煤層(圖2(a))，為了確保試驗煤樣端面的平整性，采取力學性能相近的混凝土材料包裹煤巖來制備煤巖壓裂試樣。

圖1 脈動水力壓裂試驗系統設備

(a) 原煤；(b) 試件示意圖；(c) 巖樣圖

首先，通過室內配方試驗及力學試驗，最終確定混凝土材料的最優配合比，原煤及混凝土材料力學性能見表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，澆筑成型并養護28 d后，利用手持鉆機從試樣頂部中間位置鉆1個直徑為10 mm、長度合適(保證煤塊內有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到密封鉆孔環空的目的。制作完成后的試樣長×寬×高為200 mm× 200 mm×200 mm。

表1 原煤與混凝土材料力學性能(均值)

1.2 試驗方案

試驗取樣點深度約400 m，根據室內測量的煤巖物理力學性質及相關參數可知，取樣點的地層水平應力為4~5 MPa，垂直應力為5~6 MPa。因此，本試驗根據研究區地應力條件設置三軸應力，其中，垂向應力=5.5 MPa，水平主應力均為4.8 MPa。為了考察不同注液頻率與壓裂液黏度下煤巖脈動水力壓裂的聲發射行為特性差異，選用2組不同注液頻率和3組不同黏度壓裂液，具體試驗參數見表2。

表2 試驗參數設置

2 試驗結果及分析

2.1 煤樣聲發射參數及損傷演化過程規律

聲發射監測參數主要有振鈴累積數、能量累計數、能量率、幅值等[11]。其中，能量累積數表示從試驗開始到某一特定時間的聲發射能量，可代替振鈴計數；能量率則表示單位時間內的聲發射信號能量[12]。本文選用這2個參數對煤樣聲發射行為特性及演化規律進行分析。

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

圖例：1—壓力；2—能量率；3—能量。

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

2) 提速期②。當水充滿煤體裂隙時，隨著注水壓力增大，一定頻率的脈動壓力開始作用于煤體。煤樣在連續脈動荷載作用下，疲勞損傷不斷累積，煤樣內部微裂紋不斷演化時聲發射趨于活躍，累計能量曲線斜率增加；當煤樣的疲勞損傷累積到一定程度時，達到煤樣的破裂壓力，聲發射能量率也達到最大，此時較平靜期的累計能量平均提高40.9倍。

3) 加速期③。在持續脈動作用下，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，聲發射活動異常活躍，累計能量急速增加，此時較平靜期的累計能量平均提高52.7倍。

4) 穩定期④。此時期煤樣已完全破裂，劇烈的結構運動停止，煤樣表現出的聲發射活動基本趨于平緩。

另外，聲發射現象實質上是材料內部大量微裂紋成核、擴展和斷裂的結果，與材料的損傷變量之間存在著內在的必然聯系[13]。材料的疲勞試驗還表明，聲發射累積數隨循環次數的增加而逐步增大，在疲勞破壞前急劇變化，疲勞壽命越長其累計數越大[14]。因此，在不考慮材料初始損傷的前提下，可用聲發射累積數來定義損傷變量[13]：

=/m(1)

式中：為疲勞次后聲發射累積數；m為疲勞破壞時聲發射累積數。以聲發射累積數法定義損傷變量，煤樣壓裂過程中的損傷演化曲線如圖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程中損傷演化大致可分為3個階段：1) 脈動水充滿原始裂隙階段，對應平靜期，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一步萌生擴展，損傷變量逐漸增大，對應提速運動期，為損傷發展階段；3) 煤樣已達到其疲勞強度，煤樣中裂隙逐漸連接貫通，試件出現宏觀破壞，損傷損傷變量快速上升直至等于損傷臨界值，對應加速期和穩定期，為損傷加速發展階段。

綜上所述，煤樣壓裂過程的損傷演化與聲發射參數演化過程具有較好的一致性，這進一步說明煤樣脈動水力壓裂過程可視為逐漸發展過程：充水、疲勞損傷萌生和演化；出現宏觀裂紋；由裂紋擴展貫通到破壞。聲發射特征能較好地描述其損傷演化特性。

2.1.1 脈動頻率對聲發射行為演化影響分析

脈動頻率是脈動水力壓裂技術的基本脈動參量之一[15]，不同的脈動頻率會改變壓裂過程中煤樣的受力情況，從而影響壓裂過程中裂隙的擴展情況，最終改變煤樣壓裂過程中的聲發射行為特性。圖5所示為不同脈動頻率下煤樣脈動水力壓裂過程中AE能量隨時間的變化規律。

試樣：1—C1；2—C2。

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

2.1.2 壓裂液黏度對聲發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]，進而影響煤樣壓裂過程中的聲發射行為特性。圖6所示為不同壓裂液黏度條件下煤樣脈動水力壓裂過程中AE能量隨時間的變化規律。

試樣：1—A1；2—B1；3—C1。

從圖6可以看出：壓裂液黏度越高，能量增長越緩慢，表明壓裂液黏度越高，煤樣在整個壓裂過程中的微裂紋擴展貫通的釋放的總能量越小，即整個壓裂過程中煤樣的AE活動水平越弱；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，說明在脈動壓裂過程中，黏度越高，煤樣單位時間內的AE能量釋放更弱，煤樣破裂和擴展活動更緩和，裂隙發育程度越低。產生上述現象的原因是黏度增大，會引起煤樣起裂壓力增加[17]，本試驗中煤樣A1，B1和C1起裂壓力分別為0.81，0.92和0.93 MPa，而且壓裂液流動阻力增大，裂隙的擴展受限，從而在壓裂過程中，能量只有累積到相對較高的程度，裂隙才會擴展、貫通并釋放能量。從圖4可看出：黏度越高，損傷變量越小。這與其壓裂過程中其釋放的總能量也越小的結論一致。

2.2 煤巖脈動水力壓裂過程中的震級?頻度關系參數的動態特征

AE的振幅表示單個AE事件的最大振幅，可表征AE事件發生的程度，而與AE振幅密切相關的1個參數是震級?頻度關系式中的[18]，它是表征地震的震級?頻度關系的參數[19]。目前，人們對的研究已不限于地震學領域，通常將巖石受力破壞中的聲發射事件當作地震活動(微震)。研究表明，AE的測度與地震相應物理量的測度相似，AE的是裂紋擴展尺度的函數，能反映微破裂尺度的分布，可采用下式計算[20]：

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

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

曾正文等[21]對進行研究發現：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，說明AE事件的分布不變，不同尺度的微破裂狀態(即微破裂尺度分布)比較恒定；減小，意味著大事件發生的比例增加，大尺度微破裂增多。因此，不僅可用于表征煤樣壓裂過程中不同階段的演化特征，同時可比較不同頻率或壓裂液黏度脈動壓裂條件下煤樣破壞的演化差異。

根據式(2)及實驗過程獲得的聲發射結果，選用200個聲發射振幅為一組采樣窗口，并以50個振幅為步長，采用最小二乘法擬合計算，得到不同頻率和不同黏度下隨時間(含4個階段轉折時間點)的變化規律，如圖7所示。

從圖7可以看出：在不同脈動頻率或不同壓裂液黏度下，煤樣壓裂過程中變化整體趨勢相似，即在提速期增大，加速期減小，穩定期基本不變。整體變化規律表明：提速期主要以小振幅AE事件為主，加速期和平穩期主要以大振幅AE事件為主。這是因為在提速期，煤樣在壓裂液的沖擊作用下造成損傷，試件內主要以微裂隙的萌生和擴展為主，小尺度微破裂迅速增長，而大尺度微破裂增加緩慢，從而導致逐漸增大；進入加速期后，煤樣大量的裂隙加密貫通成宏觀主裂隙，大尺度微破裂增長的速度超過小尺度微破裂增長速度，從而減?。欢竭_穩定期，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，在脈動水力壓裂過程中不同階段聲發射事件空間分布見圖8。從圖8可見：階段①所得到的聲發射定位事件很少，因該階段為充水階段；當脈沖注水到53.25 s時，注入壓力達到煤樣疲勞強度，能夠定位的聲發射事件增多，但事件位置較分散，該時期煤樣以小尺度微破裂為主，與之相對應的也處于增長階段；當達到63.72 s時，所定位的聲發射事件迅速增多，并且出現明顯的集聚現象，說明煤樣內部裂紋貫通成宏觀裂隙，大尺度微破裂所占比例增加，較快下降；進入到階段④時，煤樣此時已完全破裂，聲發射事件與63.72 s時的定位相似，與之相對應的也基本不變。

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

1) 頻率較高時C2曲線在不同時期的均比頻率較小時C1曲線的小，且變化平緩(見圖7)。這說明煤樣脈動壓裂過程中，當頻率較大時，大振幅AE事件所占比例要大于頻率較小時大振幅AE事件所占比例，且整個過程體現出一種漸進式穩定擴展過程。這主要是因為頻率較低時，微裂隙有足夠的時間擴展，形成復雜微裂隙，小尺度微破裂所占比例逐漸增多，達到疲勞強度后，大量微裂隙加密貫通成宏觀大裂隙，較大AE事件發生，整個過程發生較“劇烈”，AE振幅分布變化較強烈；頻率較高時，脈動壓裂過程類似于常規壓裂[5]，脈動水持續以高壓形式注入，易產生單條主水力裂縫，且整個壓裂過程裂隙擴展相對平穩，AE振幅分布相對平緩，從而較小且變化幅度小。

時間/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，且整個過程越平緩。產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，造成裂隙進一步擴展，小的AE事件逐漸增多，微破裂發展很快；達到煤樣疲勞強度后，裂隙貫通融合，大的AE事件所占比例迅速增大，整個過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，壓裂液流動阻力增大，原生裂隙的擴展受限；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，且整個過程破裂尺度變化較緩和。

3 結論

1) 煤巖在脈動水力壓裂過程中聲發射參數演化過程可分為4個階段：平靜期、提速期、加速期和穩定期。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個階段：初始階段、損傷發展階段及損傷加速發展階段，煤巖的聲發射特征能較好地描述其損傷演化特性。

2) 在相同實驗條件下，頻率較小時煤樣總的能量和能量率更大，說明在整個壓裂過程中和單位時間的AE活動水平和能量釋放更強，裂隙發育程度越高；壓裂液黏度越高，煤樣的總能量和能量率越低，說明煤樣在整個壓裂過程中和單位時間的AE活動水平和能量釋放更弱，裂隙發育程度較低。

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，微裂紋產生和擴展較劇烈，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：

感謝中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室、安全工程學院林柏泉教授課題組對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

國家自然科學基金資助項目(41302124)；湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室開放基金資助項目(E21425)；中南大學中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(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，從事非開挖、礦產地質及非常規能源鉆進技術研究；E-mail: pinghesun@gmail.com