滑溜水(Slickwater)因其成本低、地层伤害小的优点成为了页岩气藏的主要压裂液体系。但滑溜水粘度低、携砂能力差,支撑剂颗粒在输送至目标距离前就大量沉积在井筒附近,未对裂缝形成有效支撑,从而严重降低了水力裂缝的有效导流能力。超低密度支撑剂(1055～1750kg/m3)的研究与开发,为滑溜水压裂提供了新的机遇。然而,目前针对中高密度支撑剂在裂缝中的运移、沉降实验和理论模拟较多,而对于低密度支撑剂的输运机理认识不清、机理不明。针对以上问题,本文以滑溜水压裂体系为携砂介质,系统开展超低密度颗粒在裂缝中的输送和铺置规律的研究,为滑溜水压裂施工参数优化提供理论依据。首先,采用计算流体力学方法(CFD)建立考虑固体颗粒影响下的液相流动方程;采用离散元方法(DEM)考虑流体曳力、浮力及颗粒-颗粒、颗粒-壁面间的碰撞力,建立颗粒的运动方程;通过曳力模型和固-液动量交换源相对两相的运动方程进行耦合,得到流体-颗粒两相耦合流动模型;继而采用相耦合的SIMPLE算法和显示差分法分别对流体和颗粒的运动方程进行求解。其次,通过“虚拟试验”分别对实验所用的低密度颗粒及超低密度支撑剂样品的弹性恢复系数、动摩擦系数及静摩擦系数进行了参数标定。开展低密度橡胶颗粒在大型平板裂缝中的输送实验,并根据实验结果验证了所建立的流体-颗粒两相耦合流动模型的准确性。最后,在中等矩形裂缝模型中开展了超低密度支撑剂在裂缝中的输送模拟,结果表明,由于前置液与混砂液间的粘度与浓度差异而产生显著的对流运动,从而使颗粒迅速发生沉降;减小支撑剂与流体间的密度差异能够在一定程度上使其输送距离增加,但增加的幅度并不理想。此外,定义了“无砂区”及“颗粒沉降剖面角”,通过改变施工参数(泵注排量、滑溜水粘度)和颗粒参数(支撑剂密度、粒径及浓度),按照单一变量原则,研究上述参数对砂堤堆积位置与颗粒沉降剖面角的影响规律。研究表明,无砂区随着泵注排量及滑溜水粘度的增加而增大,而随着支撑剂密度、支撑剂浓度与支撑剂粒径的增加而减小;沉降剖面角随着泵注排量及滑溜水粘度的增加而减小,随着支撑剂密度、支撑剂浓度及支撑剂粒径的增加而增大。本文通过建立的平板裂缝中超低密度支撑剂输送的流体-颗粒两相耦合流动模型及参数化的模拟研究,有效揭示了超低密度在裂缝中的沉降和运移规律,对页岩气滑溜水压裂施工参数优化、压裂液及超低密度支撑剂优选具有一定的指导意义。