利用CFD-DEM耦合方法研究裂缝中临时封堵剂的传输及封堵行为

《Powder Technology》：Investigation of temporary plugging agents transport and plugging behavior in fractures using CFD-DEM coupling method

本研究采用CFD-DEM耦合方法模拟多级裂缝内临时堵孔剂（TPA）的传输与封堵行为，揭示颗粒形状、摩擦系数及密度对封堵效率的影响规律，提出最佳TPA密度范围为1120–1300 kg·m-3。

　　在非常规油气资源的高效开发中，多级多簇水力压裂技术已成为重要的设计原则和核心工艺。该技术通过在水平井中形成复杂的裂缝网络，从而扩大受刺激的储层体积，提高油气产量。然而，由于储层本身的物理和力学特性具有高度的异质性，簇间应力干扰以及完井条件的变化，传统的压裂方法往往难以实现多个主裂缝的均匀扩展，并有效生成分层分支裂缝。因此，如何优化压裂过程，提高裂缝复杂性，成为当前研究的重点之一。

在此背景下，裂缝内临时封堵压裂技术应运而生。这一技术的核心在于通过压裂液将临时封堵材料（TPA）输送到裂缝系统中，使其在裂缝中形成局部封堵。当分流器在裂缝尖端建立临时封堵后，裂缝的进一步扩展受到抑制，从而导致净压力的增加，促使次级和三级分支裂缝的形成。最终，这种过程有助于构建复杂的裂缝网络，提高裂缝的连通性，从而实现高效构建多级分支裂缝的目标。

然而，尽管这一技术在实践中展现出良好的应用前景，其背后的机理和影响因素仍存在诸多未解之谜。当前的研究主要集中在实验和数值模拟两个方面，但两者均存在一定的局限性。一方面，实验研究通常采用小型裂缝模拟装置，模拟自然裂缝的几何形态，研究TPA的封堵性能和抗压能力。这类实验虽然能够提供直观的数据支持，但难以全面反映裂缝内TPA的动态行为。另一方面，数值模拟方法如欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）和欧拉-欧拉（Eulerian-Eulerian）方法已被广泛用于研究TPA的迁移和封堵行为。然而，这些方法在模拟TPA颗粒之间的相互作用时存在一定的不足，尤其是对颗粒-颗粒碰撞和接触行为的捕捉不够精确。

为了弥补这一不足，本文提出了一种基于CFD-DEM耦合方法的高保真数值模型，用于模拟TPA在裂缝中的运输和封堵过程。CFD-DEM方法通过将流体和颗粒分别建模，能够更精确地捕捉颗粒在裂缝中的运动轨迹及其与流体和裂缝壁之间的相互作用。相较于传统的连续相假设，CFD-DEM方法在处理颗粒-颗粒碰撞、接触和聚集等复杂行为时具有更高的准确性。此外，该方法能够揭示TPA在裂缝中的沉积模式、封堵层的形成过程及其演变规律，为封堵技术的优化设计提供理论依据。

研究中，通过调整关键参数，如TPA颗粒与裂缝壁之间的摩擦系数、颗粒浓度、颗粒形状、颗粒尺寸及颗粒尺寸组合，系统分析了其对TPA运输和封堵性能的影响。研究发现，TPA封堵层的形成过程可以分为四个主要阶段。在第一阶段，TPA颗粒在裂缝前端开始沉积，形成初步的堆积区域；在第二阶段，随着压裂液的持续注入，颗粒逐渐向裂缝内部迁移，并在裂缝中形成更密集的沉积层；第三阶段则是封堵层的稳定形成阶段，颗粒之间通过多点接触形成互锁结构，提高封堵层的机械稳定性；第四阶段则是封堵层的最终形成，此时颗粒的沉积趋于饱和，封堵效果达到最佳状态。

摩擦系数是影响TPA封堵性能的重要因素之一。研究结果表明，随着摩擦系数的增加，TPA颗粒在裂缝中的桥接能力显著增强，从而有效抑制裂缝的进一步扩展。在实验中，摩擦系数较高的TPA颗粒表现出更强的聚集能力，封堵层的长度减少约74.07%。这说明，在实际压裂过程中，适当提高TPA颗粒与裂缝壁之间的摩擦系数，有助于形成更稳定的封堵层，提高封堵效率。

颗粒尺寸也是影响TPA封堵性能的关键参数。研究发现，小尺寸TPA颗粒（如1.2 mm）在裂缝中的封堵效果较差，因为它们在裂缝前端的沉积概率较低。相比之下，较大尺寸的TPA颗粒更容易在裂缝中形成有效的封堵层。然而，研究还指出，通过混合不同尺寸的TPA颗粒，可以显著改善封堵效果。这种协同注入策略能够利用不同尺寸颗粒在裂缝中的沉积特性，提高整体封堵效率。此外，颗粒形状对封堵性能也有重要影响。不规则形状的颗粒通过多点接触形成互锁结构，从而增强封堵层的机械稳定性。这种结构能够有效抵抗裂缝的扩展，提高封堵的持久性。

颗粒浓度同样对封堵效果产生显著影响。研究结果表明，较高的颗粒浓度有助于形成更厚的封堵层，从而提高封堵效率。然而，过高的浓度可能导致颗粒之间的竞争沉积，影响封堵层的均匀性。因此，在实际应用中，需要根据裂缝的几何形态和流体的流动特性，合理控制TPA颗粒的浓度，以达到最佳的封堵效果。

除了上述参数，TPA颗粒的密度也是影响封堵性能的重要因素。研究建议，TPA颗粒的密度应控制在1120–1300 kg/m3之间，以实现最佳的封堵效果。这一密度范围能够确保颗粒在裂缝中的沉积速率适中，既不会因为沉积过快而导致封堵层不稳定，也不会因为沉积过慢而影响封堵效率。

此外，研究还探讨了不同操作参数对封堵层形成过程的影响。例如，流体的粘度和注入速率对TPA颗粒的沉积和封堵效果具有显著影响。较高的流体粘度和注入速率可能阻碍TPA颗粒的沉积，从而降低封堵效率。因此，在实际压裂过程中，需要根据裂缝的形态和TPA颗粒的特性，合理调整流体的粘度和注入速率，以确保封堵层的稳定形成。

在实际应用中，封堵层的形成不仅影响裂缝的扩展，还对后续的油气开采具有重要影响。封堵层能够有效控制裂缝的扩展方向，促进次级和三级分支裂缝的形成，从而扩大受刺激的储层体积。同时，封堵层的稳定性也决定了裂缝的长期连通性，这对油气的高效开采至关重要。因此，理解TPA颗粒在裂缝中的沉积和封堵行为，不仅有助于优化压裂设计，还能够提高油气开采的经济效益。

综上所述，本文通过建立基于CFD-DEM耦合方法的高保真数值模型，系统研究了TPA颗粒在裂缝中的运输和封堵行为，揭示了封堵层形成过程的四个阶段及其影响因素。研究结果表明，摩擦系数、颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒浓度和颗粒密度等关键参数对封堵效果具有重要影响。通过合理调整这些参数，可以有效提高TPA的封堵效率，优化压裂设计，从而实现复杂裂缝网络的高效构建。这些发现不仅为理论研究提供了新的视角，也为实际工程应用提供了重要的指导意义。