传统稳定注入水力压裂在难开采油气储层改造中得到了广泛应用,并取得了显著的增产改造效果。然而,由于技术装备、储层特性等主客观条件约束,在一定程度上这种水力压裂工艺有局限性。为此,本文提出了一种波动注入水力压裂工艺,试图借助“变频压裂泵组”,通过人为快速改变压裂泵组工作频率的方式,使压裂泵输出“不稳定排量和压力”,从而产生不稳定注入压裂效果。针对提出的工艺,根据系统工程原理,研究了波动压裂与地面-井筒-储层裂缝系统之间的作用机制。通过深入分析“变频压裂泵组”的工作特性,探讨了井筒流体压力波动行为,阐明了“波动干涉效应”;基于井筒流体压力波动,描述了不稳定流动与岩石起裂压力、延伸压力之间的关系,讨论了不稳定流动对支撑剂启动、运输以及裂缝延伸的影响机制;基于井下流体压力波动,揭示了井下压力波动诱发“微地震”的力学机理,描述了“人为地震效应”和“波动疲劳效应”;建立了基于Agarwal标准曲线原理的波动注入水力压裂产量预测模型,描述了“波动增产效应”,制定了以提高压裂井产量为宗旨的波动注入水力压裂工艺设计原则和方法;根据统一强度理论和管柱力学理论,研究了井下压裂管柱的动力响应和动力强度安全性,描述了“波动激励效应”,制定了以井下压裂管柱安全和油气井最大产量为目标的井下压裂管柱动态安全控制与工艺参数设计准则。研究结果表明,波动注入水力压裂干扰井筒中流体的流动状态,引发明显的不稳定流动;波动注入水力压裂在岩石起裂、裂缝延伸、裂缝几何尺寸、支撑剂启动与运输、诱发微地震等方面具有显著的积极作用;与传统水力压裂相比,采用波动注入压裂能够大幅度提高油气井产能,增产效果显著;波动注入水力压裂对井下管柱的动力学行为有明显的影响,主要表现为井下管柱容易产生复杂的动态力学特征。本文研究为非稳态水力压裂工艺技术发展奠定了初步的理论基础。