纤维-支撑剂簇结构调控的裂缝高效导流机制：基于CFD-DEM全流程模拟研究

针对非常规油气藏压裂过程中支撑剂运移困难及返排率高的技术难题，中国研究团队采用CFD-DEM耦合方法，建立了纤维-支撑剂簇多节点柔性模型，揭示了纤维通过形成网状结构降低支撑剂沉降速度（提升运移距离58.63%）和增强颗粒间粘结（减少返排17.2%）的双重机制，使裂缝渗透性提高1-2个数量级，为纤维压裂参数优化提供了理论依据。

　　

在非常规油气开发领域，低孔低渗储层的开采犹如在致密的岩石中开辟“高速公路”，而水力压裂技术就是打通这些通道的关键钥匙。然而，这把钥匙却面临两大棘手问题：一是常用的滑溜水压裂液难以将支撑剂输送到裂缝远端，导致裂缝末端支撑不足；二是压后返排阶段支撑剂容易随流体回流，不仅降低裂缝导流能力，还会损坏井下设备。传统解决方案如同“撒胡椒面”，既无法精准控制支撑剂分布，又难以抑制返排。针对这一行业痛点，中国某研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，通过创新性的全流程模拟技术，揭开了纤维材料如何像“智能胶水”一样调控支撑剂行为的奥秘。

研究团队采用计算流体动力学(CFD)与离散元法(DEM)耦合的CPU-GPU并行计算框架，构建了包含多节点柔性纤维模型和粘附力表面修饰的跨尺度模拟系统。通过静态沉降实验和纤维悬浮液输送实验双重验证模型准确性后，对压裂液-纤维-支撑剂三相体系进行了全生命周期模拟，涵盖输送、裂缝闭合、返排等完整工况。

纤维-支撑剂动态相互作用机制
模拟显示纤维通过“碰撞-缠绕-成簇”三级作用改变支撑剂运移模式：输送阶段纤维形成空间网状结构，使支撑剂沉降速度降低38%，促进簇状体快速迁移至裂缝远端；返排阶段纤维在颗粒间形成“弹性铰链”，通过粘结力增强砂堆稳定性。当纤维添加量为支撑剂质量的0.5%时，有效支撑面积提升58.63%。

裂缝导流能力量化提升
簇状堆积结构创造出“拱桥效应”，使支撑剂孔隙率增加15%-20%，裂缝渗透率较无纤维工况提升1-2个数量级。微观观测发现纤维在簇体内部形成分级孔隙：大孔隙（>50μm）保障流体通道，微孔隙（<10μm）提供毛细管力辅助稳砂。

参数敏感性规律
系统测试表明：6mm纤维长度在运移距离与返排抑制间取得最佳平衡；分段注入纤维比连续注入更利于形成梯度支撑；当返排流体粘度>5mPa·s时，纤维稳砂效率骤增。这些发现为现场施工参数优化提供了明确指导。

这项研究首次从介观尺度阐明了纤维材料“运输-稳砂-导流”的协同作用机制，建立的柔性纤维模型突破了传统刚性杆假设的局限。提出的簇状体孔隙演化理论为非常规储层压裂设计提供了新范式，其揭示的纤维浓度-长度-注入方式敏感性规律，可直接指导改性纤维材料的定向研发。该成果对实现非常规油气资源的高效开发具有重要工程价值，相关模拟方法也可拓展至地热开采、CO₂封存等领域的多相流研究。