动态启裂裂缝中支撑剂铺置的三维可视化与评估

《Results in Engineering》：Visualization and Three-Dimensional Evaluation of Proppant Placement in Dynamically Initiating Fractures

　　

准确评估水力诱导裂缝中支撑剂（proppant）铺置效果，需要考虑裂缝启裂阶段的缝宽（aperture）演化过程，而固定缝宽可视化模型无法捕捉该过程。研究人员开发了一套可视化实验系统，用于复现裂缝从初始闭合状态逐渐张开的过程，并采用基于位移（displacement-based）的方法重构支撑剂沙丘（dune）的三维厚度分布。实验揭示缝宽演化强烈影响支撑剂运移与最终铺置形态。与动态启裂裂缝相比，固定缝宽裂缝产生的二维铺置面积约增大60%，且表观沙丘形态更均匀，提示其对有效铺置程度存在高估。中等注入速率促进远端运移，而过高速率加剧三维厚度非均匀性。提高压裂液黏度抑制快速沉降，在纵向与垂向均产生更均匀的厚度分布。随支撑剂浓度增加，近入口区颗粒相互作用增强、沉积增多，削弱远端运移与厚度均匀性。支撑剂粒径控制远端迁移与保留支撑厚度的平衡，闭合压力（closure pressure）则通过约束裂缝张开改变主导运移模式。上述发现表明，仅凭二维铺置面积可能误导评估，需引入三维厚度指标评价有效支撑剂铺置。

研究背景方面，水力压裂是致密油等非常规资源高效开发的关键技术，水平井多段多簇压裂中支撑剂能否有效输送至裂缝远场并稳定铺置，直接决定裂缝长期导流能力与井筒最终产能。现有可视化实验多采用刚性固定缝宽平行板模型，无法反映实际压裂中净压力驱动下缝宽连续演化的过程；数值模拟虽能耦合缝宽演化，但对本构方程与流固耦合假设敏感；真三轴物理实验因岩样不透明难以直接观测三维沙丘几何。因此，研究人员开展本研究，旨在建立可从初始闭合状态动态启裂张开的可视化物理系统，并重构最终支撑剂沙丘的三维厚度分布，以纠正固定缝宽模型对有效铺置的高估。该文发表于《Results in Engineering》。

关键技术方法上，研究人员搭建了由气动驱动离散可动单元、柔性膜与压力腔构成的可视化动态启裂裂缝系统，可见窗口1000 mm×300 mm，最大缝宽20 mm，通过44点红外位移监测壁面法向位移；采用雷诺数相似准则将现场排量折算为实验室4–8 L/min；以瓜尔胶溶液（0.2%–0.5%，表观黏度4–41 mPa·s）为携砂液，石英砂20/40、40/70、70/140目为支撑剂；提出基于壁面位移增量的位移反演法重构50 mm×50 mm分辨率的三维沙丘厚度场，并以树脂固化后三维扫描校验（RMSE 0.277 mm，R2 0.912）；定义DPP、DPH、PUD、PAR及三维LTR、VTR共6个无量纲指标定量刻画二维轮廓与三维厚度分布。

研究结果部分，3.1节动态启裂裂缝与固定缝宽裂缝对比显示，动态启裂缝中发育波状表面运移、涌浪式尖端穿透及侵蚀-再沉积，最终PAR仅0.40、PUD达0.34，而固定缝宽缝PAR为0.64、PUD仅0.13，证明固定模型高估二维面积且掩盖三维非均匀性。3.2节注入速率（4–7 L/min）研究表明，中等速率促进远端运移，过高速率使LTR由0.66降至0.12、VTR由0.78降至0.27，三维非均匀性增强。3.3节压裂液黏度（4–41 mPa·s）结果表明，黏度升高抑制沉降，LTR升至0.85、VTR升至0.97，纵横向厚度均趋匀。3.4节支撑剂粒径（70/140至20/40目）指出粗粒近口堆积厚但限制远端，细粒远端迁移强但保留厚度低，LTR、VTR随粒径增大而降。3.5节浓度（10%–25%）显示高浓度强化近口沉积与颗粒干涉，LTR由0.80跌至0.25，纵向均匀性受损最甚。3.6节闭合压力（0.02–0.14 MPa）表明低压利于床沙运移连续铺置，0.06 MPa时LTR、VTR最优，过高压力诱发悬浮分散、PAR虚增至80%但连续性破坏。

讨论与结论翻译：研究人员指出，二维铺置面积（PAR）单独使用会误导有效铺置评价——高闭合压力下悬浮运移使PAR增大却伴随沙丘连续性削弱与保留厚度非均匀；高注入速率下二维远端延伸同时加剧三维厚度非均匀。因此需以三维厚度指标（LTR、VTR）补充二维指标。缝宽演化通过改变沙丘上方流通截面，催生波状表面运移、涌浪式尖端穿透与侵蚀-再沉积，这些是固定缝宽模型无法复现的机制。中等注入速率、较高压裂液黏度、适中粒径与浓度、合理闭合压力约束共同优化远端输送与三维厚度均匀性的平衡。该研究为动态启裂条件下支撑剂铺置评价提供了首个可量化三维厚度分布的视觉实验框架，证明传统固定缝宽视觉模型系统性高估有效铺置范围，对压裂参数优化与导流能力预测具有直接工程意义。