应用于超深水库的超分子增强凝胶压裂液：压裂液润滑作用下的携砂机制研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Supramolecular reinforced gel fracturing fluid applied in ultra-deep reservoirs: Mechanism research of sand-carrying under fracturing fluid lubrication

超分子增强凝胶压裂液通过物理交联与有机锆化学交联形成双网络结构，显著提升弹性、剪切恢复率和抗水锁能力，实验摩擦系数降低15.23%（0.48 vs 0.57），CFD-DEM模拟显示支撑剂深部迁移率从7.16%提升至69.02%。

　　在深部及超深油气储层的开发过程中，水力压裂技术扮演着至关重要的角色。这些储层通常具有较高的地层应力，导致裂缝的开度较小，从而增加了支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力。这种摩擦阻力会阻碍支撑剂向裂缝深处迁移，进而影响裂缝的有效支撑能力。因此，开发具有更强支撑剂携带能力的压裂液成为提升压裂效果的关键方向。

本研究聚焦于新型压裂液的开发，旨在通过分子间相互作用形成物理交联网络的两种聚合物被成功合成。当这些聚合物与有机锆进行化学交联后，可以形成一种具有分子增强特性的凝胶压裂液。这种压裂液表现出较高的强度、优异的剪切恢复性能以及较强的水结合能力，使其能够在超深储层的极端高温条件下，在裂缝表面形成稳定的润滑液膜，从而有效降低支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力。通过摩擦学实验得出的数据表明，在这种分子增强凝胶压裂液的润滑作用下，支撑剂与裂缝壁之间的摩擦系数（COF）仅为0.48，比部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）凝胶压裂液的COF降低了15.23%。这一结果充分展示了分子增强凝胶压裂液在降低摩擦阻力方面的显著优势。

为了更全面地理解压裂液的润滑性能与其支撑剂携带能力之间的关系，本研究采用了计算流体力学-离散元法（CFD-DEM）的模拟方法。模拟结果表明，在分子增强凝胶压裂液的润滑作用下，支撑剂的深层迁移率显著提升。例如，当COF为0.8时，支撑剂的深层迁移率为7.16%；而当COF降至0.05时，支撑剂的深层迁移率则提高至69.02%。这一趋势表明，压裂液的润滑性能提升能够有效增强支撑剂在裂缝深处的迁移能力，从而提高支撑剂的放置效率和压裂效果。

压裂液的润滑性能不仅影响支撑剂的迁移，还与支撑剂的悬浮能力密切相关。支撑剂的悬浮能力是指其在压裂液中保持悬浮状态的能力，这一能力直接决定了压裂液在裂缝中携带支撑剂的能力。目前，关于压裂液支撑剂携带能力的研究主要集中在粘度和粘弹性等物性对支撑剂悬浮能力的影响。例如，Wang等人（2014）对比了羟丙基瓜尔胶和羧甲基瓜尔胶在相同表观粘度下的支撑剂携带性能。结果表明，羟丙基瓜尔胶由于其更致密的网络结构和更高的弹性模量，表现出更好的支撑剂悬浮性能。Yang等人（2024）开发的由自组装低分子量聚合物和表面活性剂组成的压裂液，其粘弹性响应中损失角最小值仅为0.1，显示出极强的弹性性能，其应变恢复率高达87.9%。相比之下，高分子量线性聚合物的应变恢复率仅为10.1%，导致其在支撑剂静止悬浮过程中，施加的应力主要引起粘性形变，破坏网络结构，从而导致支撑剂迅速沉降。而分子增强压裂液的应力主要引起弹性形变，保持流体结构，防止支撑剂沉降。Mohammed Ba Geri等人（Ba Geri et al., 2019）的研究也表明，弹性更强的压裂液能够有效降低支撑剂的沉降速度。这些研究成果共同突显了粘弹性在支撑剂悬浮中的关键作用。

然而，在支撑剂的运输过程中，除了压裂液的物性外，裂缝壁和支撑剂本身的表面特性同样会对支撑剂的最终放置产生影响。摩擦阻力是影响支撑剂迁移距离的重要因素之一，它来源于支撑剂与裂缝壁之间的碰撞和压缩，以及支撑剂之间的相互作用。支撑剂和裂缝壁可以被视为摩擦副，而压裂液则充当润滑剂。Zhang等人（2018）研究了在瓜尔胶溶液中，页岩与二氧化硅球体之间的摩擦行为，发现摩擦系数（COF）随着施加的法向载荷逐渐增加，并稳定在0.3至0.4之间。此外，瓜尔胶浓度的增加对COF没有显著影响，这可能归因于瓜尔胶的流变特性。通过优化压裂液的结构，可以有效增强其润滑性能，降低支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力，从而促进支撑剂向裂缝深处迁移。

润滑模式通常分为三种：边界润滑、混合润滑和流体动力润滑。边界润滑是指润滑膜在接触表面形成，以减少摩擦。在该模式下，润滑膜的厚度小于摩擦副的表面粗糙度，导致摩擦系数较高。流体动力润滑是指润滑膜完全分离接触表面，其厚度远大于摩擦副的表面粗糙度。在这种情况下，摩擦主要由润滑膜的性质决定，而不是摩擦副的表面特性，从而使得摩擦系数最低。混合润滑则介于边界润滑和流体动力润滑之间。Pang等人（2024）研究了以魔芋葡甘聚糖水凝胶作为润滑剂的聚二甲基硅氧烷/钢球摩擦副的摩擦行为。他们发现，当滑动速度从0.1到10 mm/s增加时，摩擦系数保持相对较高且稳定。然而，当滑动速度进一步增加时，摩擦系数迅速下降。这归因于在低滑动速度下，聚二甲基硅氧烷与钢表面之间的直接接触占主导地位。而在高滑动速度下，两个摩擦表面之间的间隙增加，使得水凝胶被引入界面，从而分离接触表面，摩擦模式转变为混合润滑，导致摩擦系数显著下降。

当前，关于凝胶压裂液润滑性能的研究仍较为有限，大多数润滑相关研究集中在其他学科领域。例如，水凝胶已被研究作为仿生润滑剂，用于提供软骨修复材料所需的润滑功能（Milner et al., 2018; Tang et al., 2025）。微凝胶则被用于轴承和密封中的水基润滑剂，作为传统油基润滑剂的替代品，旨在缓解日益严重的环境问题（Cao et al., 2022; Yu et al., 2016; Zhang et al., 2022）。微凝胶是一种纳米或微米尺寸的聚合物胶体颗粒，其内部具有分子内交联结构，内部网络高度吸水（Liu et al., 2013）。它们表现出良好的稳定性与粘弹性，并在摩擦剪切过程中通过在摩擦副表面形成凝胶层来耗散能量（Cao et al., 2022; He et al., 2023）。借鉴微凝胶的润滑机制，增强凝胶压裂液的吸水能力和弹性，是提高其润滑性能的可行方法。

为了实现支撑剂向裂缝深处有效运输的目标，本研究提出了一种具有润滑性能的分子增强凝胶压裂液系统。该系统的润滑性能通过摩擦学实验进行了评估，同时利用CFD-DEM模拟方法探讨了润滑特性与支撑剂携带能力之间的关系。研究结果表明，这种分子增强凝胶压裂液系统能够显著提升其弹性、剪切恢复性能和水结合能力。在超深压裂过程中，该系统能够在裂缝壁上形成稳定的润滑液膜，有效降低支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力，提高支撑剂的放置效率和压裂效果。

本研究的材料包括2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPS，纯度≥98%）、丙烯酰胺（AM，纯度≥99%）、丙烯酸（AA，纯度≥99%）、（3-丙烯酰胺基丙基）三甲基氯化铵（APTAC，含水量74–76%）、氢氧化钠（NaOH，纯度≥98%）、过硫酸铵（APS，纯度≥98%）以及无水乙醇（纯度≥99.7%）。有机锆交联剂和部分水解聚丙烯酰胺（HPAM，分子量为1078×10^4 g/mol）则由一家化学公司提供。此外，本研究还涉及对砂岩弹性模量的研究，以进一步理解支撑剂在裂缝中的行为特性。

在实验结果部分，本研究展示了通过分子间相互作用形成的两种聚合物，它们能够在非共价键作用下（如氢键和静电作用）生成物理交联网络。当这些聚合物与有机锆交联剂通过共价键化学交联后，形成的分子增强凝胶具有物理和化学交联的双重网络结构。这种结构不仅增强了凝胶的强度，还提高了其剪切恢复性能和水结合能力。在高温条件下，这种凝胶能够保持稳定，从而有效减少支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力。此外，CFD-DEM模拟进一步揭示了润滑性能与支撑剂携带能力之间的正相关关系。模拟结果显示，随着摩擦系数的降低，支撑剂的深层迁移率显著提高，表明润滑性能的改善能够有效提升支撑剂在裂缝中的迁移能力。

本研究的结论表明，分子增强凝胶压裂液系统具有显著的优势，其双重网络结构和强水结合功能使其在支撑剂运输过程中表现出优异的性能。这种压裂液不仅能够有效降低支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力，还能够提高支撑剂的放置效率和压裂效果。因此，本研究为开发具有润滑性能的新型压裂液提供了理论依据和技术指导，有助于提高深部及超深油气储层的开发效率。

在作者贡献部分，Xiang Yan负责撰写、审阅与编辑，撰写原始草稿，进行可视化、调查、形式分析和数据管理。Caili Dai负责监督、资源协调、项目管理、资金获取和概念设计。Yongping Huang负责可视化和验证，提供方法论支持。Siwei Meng也提供了方法论支持。Xu Jin负责数据管理。He Liu负责监督。Bin Yuan和Ming Chen分别提供了方法论支持。Yining Wu负责撰写、审阅与编辑，监督，资金获取和概念设计。

在利益冲突声明中，作者声明他们没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

在致谢部分，本研究得到了国家自然科学基金（52374062、52120105007、52288101）以及泰山学者青年专家计划（TSQN202312126）的支持。这些资助为本研究的顺利开展提供了重要保障。

综上所述，本研究通过合成具有物理交联网络的两种聚合物，并结合有机锆交联剂，开发了一种具有分子增强特性的凝胶压裂液。该压裂液在高温条件下表现出良好的润滑性能，有效降低了支撑剂与裂缝壁之间的摩擦阻力，从而提升了支撑剂的深层迁移能力。通过摩擦学实验和CFD-DEM模拟，进一步验证了这种压裂液在降低摩擦系数和提高支撑剂携带能力方面的显著优势。本研究不仅拓展了压裂液在深部及超深储层开发中的应用，也为未来开发更高效、环保的压裂液提供了理论支持和技术路径。