Экспериментальное исследование механизмов оседания, транспорта и упаковки проппантов разной формы в физической модели

Почему форма крошечных зерен важна для большой энергетики

Глубоко под землей инженеры раскалывают породы, чтобы высвободить захваченные нефть и газ, а затем поддерживают эти трещины открытыми с помощью зерен, похожих на песок, — проппантов. В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой вопрос с большими последствиями: влияет ли форма этих зерен — округлая, как бусинки, или зазубренная, как маленькие пирамидки — на то, насколько долго трещины остаются раскрытыми и как легко может течь топливо? С помощью аккуратно напечатанных на 3D‑принтере частиц и прозрачных моделей исследователи показывают, что форма существенно контролирует, как проппанты оседают, перемещаются и упаковываются внутри трещин, и предлагают новые способы предсказания такого поведения.

Разрушение пород и их поддержание раскрытыми

Гидравлический разрыв пласта позволил масштабно добывать сланцевый газ и метан из угольных пластов: под давлением вводят жидкость, чтобы расколоть породу, а затем закачивают твердые частицы, удерживающие трещины от закрытия. Традиционно такими проппантами являются почти сферические зерна песка или керамики. Сферы легко нагнетать и изучать, поэтому большинство исследований посвящено именно им. Но на реальных скважинах возникают проблемы, если слишком много частиц оседает преждевременно, выносится обратно на поверхность или уплотняется так, что перекрывает поток жидкости. Это вызвало растущий интерес к несферическим проппантам — цилиндрам, стержням и более сложным формам — которые могли бы оседать медленнее и оставлять больше свободного пространства между зернами.

Создание индивидуальных зерен и прозрачной «породы»

Чтобы исследовать влияние только геометрии, команда напечатала на 3D‑принтере шесть типов проппантов: сферы, кубы, параллелепипеды (похожие на кирпичи), цилиндры, тетраэдры (похожи на пирамидки) и ромбоэдры (наклонные блоки). Все имели почти одинаковую плотность материала и сходный эффективный размер, что выделяло форму как ключевую переменную. Затем создали прозрачные модели трещин — узкие щели, имитирующие реальные разломы — и заполнили их «скользкой водой» разной вязкости. Камеры высокой скорости, лазерная визуализация потока и крошечные трассерные частицы позволили отслеживать, как каждое зерно падало в покоящейся жидкости, как оно перемещалось при проталкивании по трещине и как в конечном счете складывалось и упаковывалось. Отдельная установка измеряла, какой пустой объем (пористость) оставался, когда каждую форму насыпали и насыщали водой.

Как странные формы падают, двигаются и накапливаются

Эксперименты показали, что при тонких, низковязких жидкостях сферические зерна оседали быстрее всего, тогда как более угловатые тетраэдры и ромбоэдры оседали медленнее и сильнее кувыркались при падении. Их острые углы перемешивали окружающую жидкость и создавали дополнительную турбулентность, которая действовала как тормоз. По мере увеличения вязкости жидкости общее оседание замедлялось для всех форм, и различия между ними уменьшались: сопротивление жидкости становилось доминирующим по сравнению с геометрией. При прокачке проппантов через модели трещин все формы проходили похожие стадии — перенос в суспензии, подпрыгивания и, наконец, постепенное вклинивание — но их итоговые песчаные насыпки выглядели по‑разному. Угловатые ромбоэдры распределялись более равномерно вдоль трещины, с более мелким «провалом» в центре дюны, что указывает на лучшую горизонтальную транспортировку, тогда как тетраэдры и кубы формировали более крутые, локализованные кучи.

Больше пустого пространства от зазубренных зерен

Тесты упаковки выявили ключевое преимущество неправильных форм. Тетраэдры и ромбоэдры давали наибольшие пористости, около 40–45%, что заметно больше, чем у сфер и кубов — примерно 35%. Их неровные грани и ребра препятствовали плотным «грань‑к‑грани» контактам и вынуждали более рыхлые укладки с большим числом связанных пустот, что должно облегчать поток нефти или газа через зерновой слой. Цилиндры и параллелепипеды заняли промежуточное положение. Напротив, более правильные формы склонны эффективно «вписываться» друг в друга, оставляя меньше путей для потока, хотя их было проще транспортировать. Чтобы сделать эти открытия практичными, авторы вывели шесть математических формул — для каждой формы по одной — связывающих скорость оседания с параметрами жидкости, размером и плотностью частиц и «фактором формы», описывающим отклонение зерна от идеальной сферы.

Что это значит для будущих скважин

Вывод для читателей: крошечные строительные блоки, поддерживающие раскрытие трещин, ведут себя по‑разному. Круглые зерна просты и быстро оседают, но более зазубренные 3D‑напечатанные формы могут дольше оставаться в суспензии и упаковываться так, что оставляют больше пространства для потока нефти и газа. Исследование показывает, что целенаправленный выбор и проектирование формы частиц — а также использование новых предсказательных моделей для прогноза их оседания — позволит инженерам оптимизировать процедуры разрыва пласта для лучшей долгосрочной продуктивности и снижения потерь песка, открывая новый рычаг проектирования для более чистой и эффективной добычи энергии.

Цитирование: Li, J., He, S., Wu, M. et al. Experimental study on settling, transport, and packing mechanisms of proppants with different shapes in a physical model. Sci Rep 16, 12406 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40890-z

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, форма проппанта, оседание частиц, проводимость трещины, 3D-печатные частицы