水力压裂技术是油气田开发的必要手段之一,尤其在页岩、煤层、致密砂岩等非常规储层。支撑剂在裂缝中沉积形成的砂堤的形态决定了裂缝的有效形状、有效体积、导流能力以及裂缝的有效期,开展支撑剂在裂缝中运移规律的研究工作对优化压裂施工参数和提高压裂增产效果具有重要的指导意义。基于改善缝内砂堤形态和提高压裂增产改造效果的目的,采用物理实验与数值模拟相结合的研究方法,利用PIV粒子成像技术与CFD-DEM耦合方法将支撑剂颗粒的微观水动力学行为和流场与压力场的分布与砂堤形态宏观变化过程相结合,揭示了粘性与非粘性压裂液的携砂机理与支撑剂在单翼裂缝与多分支复杂裂缝中的输送机制;通过修正颗粒沉降速度和水平运移速度,推导砂堤特征参数,形成了垂直裂缝中非粘性压裂液中的砂堤形态随时间变化的数学模型,可解决砂堤形态预测难题。研究发现,无论是非粘性压裂液还是粘性压裂中,砂堤的形成共经历初始沙丘形成,砂堤形态演变,砂堤形成和砂堤延伸四个阶段,所形成的砂堤具有平衡高度,堆积角,前进角和近井筒的无砂空隙区。支撑剂在裂缝中的传输是沉积和流化共同作用的结果,且以流化作用为主;粘性液体中,流体和砂堤之间形成一个几乎不流动的粘弹性薄膜,阻止颗粒沉积且进一步降低颗粒流动阻力。施工排量对颗粒群速度的影响是双向的,提高单颗粒水平运移速度的同时增加了颗粒间的碰撞几率与能量损耗,且流速越大的颗粒群发生碰撞时损失的能量越多;排量与砂堤的平衡高度呈负相关,但与砂堤高度的增长速度相关性较弱。在颗粒间干扰等影响下,混合粒径支撑剂在裂缝中不会发生明显的分异的现象,而是以混合态为主,有利于延长裂缝的有效期。多分支复杂裂缝体系中,颗粒进入分支裂缝的机制包括颗粒自身的滚动和悬浮态颗粒的输送;颗粒进入分支裂缝深部所需的能量消耗大于其在主缝中的运动,导致复杂裂缝的有效宽度远小于其有效长度;促进颗粒充填分支裂缝的有效措施依次为:提高压裂液粘度>大排量液体段塞>提高施工排量>减小颗粒粒径>降低施工砂比。基于砂堤增长和延伸理论,针对性地优化前置液、携砂液和顶替液阶段的压裂施工参数与作业制度,形成“间歇式铺砂压裂工艺”,实现了改善裂缝入口、中部与深部的砂堤形态的目的,进而优化裂缝有效体积且降低砂堵风险,现场试验研究发现该工艺可有效地提高增产效果。