新型功能滑溜水弹性携砂能力的机理研究与现场实践

针对滑溜水压裂液携砂能力不足的行业难题，研究人员通过构建黏弹性量化装置，对比纯黏性甘油基准液，揭示了流体弹性模量（G’=0.001~10,000 Pa）对砂粒沉降的影响规律，提出修正的携砂沉降公式。实验表明，实验室合成的黏弹性滑溜水（VSW）在保持幂律行为的同时，其弹性可降低单颗粒砂沉降率90%以上，并通过等效黏度耦合扩展了斯托克斯公式的适用性。该研究为页岩油气压裂中低剪切速率下高弹性携砂提供了理论支撑与现场应用指导。

　　

在页岩油气开发的浪潮中，水力压裂技术如同打开地下宝藏的钥匙，而滑溜水（slickwater）正是这把钥匙的关键部件。这种低黏度压裂液因其卓越的降阻性能和低成本优势，成为非常规油气藏开发的主力军。然而，其携砂能力（proppant-carrying capacity）的先天不足始终是制约压裂效果的阿喀琉斯之踵——传统方法通过增加黏度改善携砂性能，却往往牺牲了形成复杂裂缝的能力。更令人困扰的是，具有相同黏度的不同流体体系，实际携砂表现却大相径庭，这暗示着黏弹性（viscoelasticity）和微观结构可能扮演着比想象更重要的角色。

中国石油勘探开发研究院的团队直面这一挑战，他们独辟蹊径地提出：与其盲目追求高黏度，不如精准调控流体的弹性特性。研究人员设计了一套创新性的实验体系，以纯黏性甘油（glycerol）为参照基准，通过对比实验室自制的黏弹性滑溜水（VSW），系统探究了从0.001到10,000 Pa宽幅弹性模量（G’）对砂粒沉降的影响机制。这项发表于《Fuel》的研究不仅揭示了弹性携砂的奥秘，更建立了可指导现场施工的定量化模型。

研究团队运用三大关键技术展开攻关：首先构建了可量化流体黏弹性携砂性能的专用装置，实现从静态沉降到动态裂缝模拟的全场景测试；其次通过流变学测试结合扫描电镜（SEM），解析了VSW的幂律流体特性与三维网络结构特征；最后创新性地将同心圆筒实验与裂缝动态携砂实验相结合，首次建立了剪切速率-弹性贡献的定量关系。所有实验均采用符合现场施工标准的砂粒（20/40目）和温度条件（60℃），确保数据的工程适用性。

静态携砂实验揭示了颠覆性现象：当VSW与黏度匹配的乙二醇溶液对比时，前者凭借优异的弹性使单颗粒砂沉降速率降低超90%。更引人注目的是，砂浓度与沉降时间呈现显著非线性关系，这直接挑战了传统黏度主导的沉降理论。通过引入弹性系数修正斯托克斯公式，研究者成功将经典理论拓展至黏弹性流体领域。

裂缝动态携砂实验发现砂浓度、剪切速率、黏弹性四因素耦合作用规律：在5-50 mPa·s黏度范围内，高弹性流体在低剪切区（<100 s^-1
）即能建立弹性主导区（弹性/黏弹性比>90%），这与传统交联瓜尔胶形成鲜明对比。电镜观测显示，VSW的致密网络结构是弹性携砂的微观基础。

同心圆筒实验进一步证实，弹性携砂对剪切速率的响应灵敏度是黏性携砂的3倍。当现场施工排量换算为10-25 m/min裂缝流速时，VSW能在砂浓度15%条件下维持稳定悬浮，而传统流体已出现明显砂堤。

这项研究的突破性在于构建了完整的理论-实验-应用链条：修正的沉降公式V_V
显著提升了动态携砂预测精度；创新的"携砂阈值图"将实验室数据转化为现场施工参数；现场应用证实，通过调节VSW-3减阻剂浓度（0.1%-0.5%），可实现"高降阻-强携砂"性能的按需切换。对于日均耗液量超万方的页岩气压裂作业，这意味着可节省20%以上的砂堵风险处理成本。

讨论部分深刻指出，该研究颠覆了"携砂必先增黏"的传统认知，确立弹性模量作为独立于黏度的关键控制参数。作者团队特别强调，G’>1 Pa的流体即可产生显著弹性效应，而VSW在50 s^-1
剪切下G’可达10 Pa，这解释了其优异的低剪切携砂性能。未来研究方向包括开发弹性-黏度解耦调控技术，以及探索纳米材料对网络结构的增强作用。这项源自中国石油勘探开发研究院的创新，正在全球非常规油气开发领域掀起一场"弹性携砂"的技术革命。