揭示裂缝封堵的尺度效应：基于流体动力学分析，从实验室尺度缝槽到现场尺度裂缝的定量研究

《Energy & Fuels》：Unraveling the Scale Effect on Fracture Plugging: A Quantitative Study from Lab-Scale Slots to Field-Scale Fractures via Hydrodynamic Analysis

　　常规的核心尺度实验室裂缝封堵试验可能会高估颗粒漏失材料（LCMs）在工业尺度条件下形成完整封堵区的能力。这一差异的产生是因为裂缝长度和高度增加对长距离颗粒输送、封堵行为及封堵区演化的影响仍未得到充分的定量描述。为此，研究人员开发了一套多尺度可视化装置，包含微型（5 × 1 cm）、中型（20 × 10 cm）和大型（100 × 30 cm）裂缝模块。每个模块均采用锥形开口，从入口处的 3 mm 逐渐缩小至出口处的 1 mm。实验使用了 0.5 wt% 的羧甲基纤维素（CMC）悬液、不同尺寸的尼龙颗粒以及碳酸钙颗粒，并结合高速成像、压力监测和无量纲分析，研究了裂缝尺度对颗粒输送、架桥、沉降和封堵的影响。在对应的横截面上，三种尺度下的广义流体雷诺数（*Re*）差异不超过 17.4%，且所有流场均处于层流状态。然而，对于给定粒径，从微型到大型裂缝，无量纲架桥起始时间（DBIT）增加了 8.8–13.3 倍。对于 0.9 mm 的尼龙颗粒，封堵覆盖率（PC）从 98.0% 降至 14.6%，而局部堆积密度（PD）仍保持在 80–90% 之间。因此，尺度扩大主要削弱了颗粒骨架的空间连通性，而非局部沉积物的致密性。碳酸钙颗粒在微型、中型和大型裂缝中的沉降时间尺度比（STR）分别为 0.577、0.231 和 0.384。在微型尺度下，底部沉积物扩展至整个裂缝高度。在中型尺度下，深层多点架桥发展为跨越裂缝的骨架。在大型尺度下，流动的类似沙丘的床层与开放的上部旁通通道共存。研究还基于流动路径长度与水力直径之比、沉降偏差及覆盖率连通性，进一步开发了一套半经验尺度校正框架。与独立可视化实验及计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）结果的对比支持了该框架识别一致趋势的能力。在 Z229 井的应用中，实现了 7.76 MPa 的现场承压能力。这些结果表明，在可比的层流条件下，裂缝封堵的尺度效应主要受输送距离、裂缝绝对高度以及停留-沉降竞争关系控制。研究结果为裂缝评价模型的选择、LCMs 粒径级配设计以及现场挤注参数的确定提供了指导。