不同形状支撑砂在物理模型中沉降、输运与堆积机制的实验研究

为何微小颗粒的形状会影响大型能源采收

在地表深处，工程师通过压裂岩石以释放被困的油气，并用类似沙子的颗粒——支撑砂——撑开这些裂缝。本研究提出了一个看似简单却影响深远的问题：这些颗粒的形状——是像小珠子那样圆，还是像小金字塔那样棱角分明——会改变裂缝保持开启的能力及燃料流动的便捷性吗？研究者利用精确3D打印的颗粒和透明模型，证明了形状强烈影响支撑砂在裂缝中的下落、移动与堆积方式，并提出了预测这些行为的新方法。

破裂岩石并将其撑开

水力压裂通过注入加压流体使岩石断裂，随后泵入固体颗粒以防裂缝闭合，从而实现页岩气与煤层气的大规模开发。传统上，这些支撑砂多为近乎球形的砂或陶粒。球形颗粒易于输送和研究，因此大多数研究集中在球体上。但在实际油井中，如果大量颗粒过早沉降、被回流回地表，或堆积得过于密实以致阻塞流动，就会出现问题。由此人们对非球形支撑砂的兴趣日益增长——例如圆柱、杆状以及更复杂的形状——这些形状可能沉降更慢并在颗粒间留下更多开放空间。

定制颗粒与透明“岩体”

为仅考察几何形状对行为的影响，团队3D打印了六种支撑砂：球体、立方体、长方体（砖块状）、圆柱体、四面体（类似金字塔）和斜方块（菱形块）。它们具有几乎相同的材料密度和相似的有效尺寸，从而将形状作为关键可变因素。然后他们制作了透明裂缝模型——模拟真实断裂的窄缝隙——并注入不同黏度的加滑水流体。高速摄像、基于激光的流动可视化以及微小示踪粒子使他们能够跟踪每种颗粒在静止流体中的沉降、在裂缝中被泵送时的移动，以及最终如何堆积与紧密排列。另一个装置则测量在注水饱和后每种形状所保留的空隙率（孔隙度）。

奇特形状的下落、移动与堆积方式

实验显示，在稀薄、低黏度流体中，球形颗粒下沉最快，而棱角分明的四面体和斜方块沉降最慢，下落时翻滚更多。它们的锐角搅动周围流体并产生额外湍流，起到制动作用。随着流体变得更稠（黏度更高），所有形状的总体沉降速度都变慢，形状之间的差异减小；此时流体阻力主导了几何效应。当支撑砂被泵送通过裂缝模型时，所有形状都经历了类似阶段——悬浮被携带、碰撞跳跃，最终缓慢滑入位点——但它们最终的沙丘形貌不同。斜方块沿裂缝更均匀地扩展，沙丘中间形成较浅的“凹陷”，表明水平输运更好，而四面体与立方体则形成更陡、更局部化的堆积。

棱角颗粒带来的额外开放空间

堆积测试揭示了不规则形状的一个关键优势。四面体与斜方块产生了最高的孔隙率，约为40–45%，明显高于球体与立方体的大约35%。它们不平整的面与棱阻止了紧密的面对面接触，迫使颗粒以更松散的排列形成更多连通空隙，这应当使油气更易穿过支撑砂层。圆柱体与长方体处于中间位置。相比之下，更规则的形状倾向于高效嵌套，留下更少的流动通道，尽管它们更容易运输。为了将这些见解转化为实用工具，作者为六种形状各建立了数学公式，将沉降速度与流体特性、颗粒尺寸、密度以及描述颗粒偏离完美球体程度的“形状因子”联系起来。

对未来油井的意义

结论是，撑开裂缝的微小构件并非都以相同方式运动。圆形颗粒简便且下沉迅速，但更棱角分明的3D打印形状可以更久地悬浮并以留下更多空间的方式堆积，从而利于油气流动。研究表明，通过有意识地选择与设计颗粒形状——并使用新的预测模型预判它们的沉降行为——工程师可以调整压裂处理方案，以提高长期产能并减少砂损，为更清洁、更高效的能源开采提供新的设计杠杆。

引用: 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

关键词: 水力压裂, 支撑砂形状, 颗粒沉降, 裂缝导流能力, 3D打印颗粒