基于CFD-DEM的压裂水平井暂堵剂运移与封堵有效性研究

来源：石油科学通报杂志2025年第3期北京时间：

作者：朱炬辉, 郑衣珍, 何乐, 宋佳忆, 龚蔚, 黄义涛, 隋微波

单位：1 川庆钻探工程有限公司井下作业公司，成都 6100512 中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 1022493 国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广州 510000

摘要：暂堵剂被广泛用于水平井压裂过程中的裂缝暂堵与转向，对提高压裂改造效果具有重要作用。目前国内外关于暂堵剂运移规律的研究多局限于室内实验，对暂堵剂在井筒中的运移、在缝中封堵过程的宏观模拟研究还不充分。本文基于计算流体力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的数值模拟方法，模拟了水平井压裂暂堵过程中暂堵剂颗粒井下运移与封堵过程。模拟时，将暂堵剂颗粒视作离散相，将压裂液视作连续相，对离散相与连续相单独建立数学模型，同时耦合离散相与连续相之间的相互作用，从而实现暂堵剂—压裂液多相体系的流固耦合。针对暂堵剂从井口到封堵井段的运移过程，建立了井筒模型、井筒—炮眼—单一裂缝和井筒—炮眼—多条裂缝模型。揭示了暂堵剂浓度、暂堵剂粒径、压裂液黏度和泵注排量对暂堵剂运移完整性的影响规律，探究了不同裂缝形态下工艺参数与施工参数对暂堵剂封堵效果的影响。研究表明，暂堵剂体系颗粒浓度、压裂液黏度与泵注排量是影响暂堵剂体系运移完整性的重要因素，暂堵剂粒径与浓度是决定暂堵剂体系能否有效封堵裂缝的关键因素。暂堵剂粒径大于20目时，暂堵剂质量浓度的改变只会影响缝内封堵段长度，而不会影响缝内暂堵有效性；当裂缝末端缝宽达到4 mm时，选用20~70目粒径的暂堵剂难以在缝高方向完全封堵裂缝。本研究为水平井暂堵压裂施工过程中工艺参数与施工参数的选取提供了理论依据。

关键词：缝内暂堵,暂堵剂运移,暂堵机理,水平井,CFD-DEM

基金资助：国家自然科学基金重点支持项目“页岩气藏体积压裂缝网表征及复杂裂缝动态交互机理研究”(U23B20156);中国石油集团油田技术服务有限公司科学研究与技术开发项目“页岩油气勘探开发关键技术研究与应用”课题4“页岩储层光纤智能监测与裂缝评价技术研究与应用”(2023T-002-001)