针对目前广泛应用的水力压裂在岩性与结构复杂、黏土类矿物含量高、塑性强的煤系复合储层中遇到层界面时,裂缝易出现钝化、“T”型或“工”字型扩展等难穿层问题,提出了采用具有压力峰值高、压力传递速度快的高能气体冲击压裂方法进行穿层压裂的研究思路。重点采用理论分析与数值模拟相结合的方法,系统研究了煤系复合储层的地质条件、高能气体冲击参量及其对冲击压裂缝穿层扩展的影响规律与机理。研究成果将为煤系复合储层穿层压裂合层高效开采提供压裂方法和工程参数优选的理论依据。论文开展的主要工作与取得的主要结论如下:(1)建立了高能气体冲击压裂煤系复合储层的地质-工程模型。以鄂尔多斯盆地临兴区块含煤地层为研究背景,分析了该区块煤系气储层结构特征、力学特征、矿物成分和含气性以及高能气体冲击压裂的施工方案,构建了考虑煤层及其顶底岩性组合、煤岩层及层间界面物理力学性质和地应力等地质特征以及水平井布置、初始导向射孔位置、施爆位置和装药量等工程特征的高能气体冲击压裂煤系复合储层的地质-工程模型,为压裂缝穿层扩展数学模型与数值模拟的研究奠定了基础。(2)建立了高能气体冲击压裂煤系复合储层裂缝动态扩展的数学模型,并对该模型进行了求解。以火药燃烧学、流体力学、断裂力学理论为基础,结合火药几何燃烧、气体定常流动、裂缝稳定扩展等基本假设,分析了高能气体冲击压裂煤系复合储层时火药的燃烧过程、射孔孔眼处气体泄流过程、裂缝壁面气体非达西渗滤过程、裂缝起裂和穿层的临界条件,构建了由火药爆燃加载、缝内气体流动、缝壁气体滤失、裂缝扩展和裂缝穿层判别等子模型组成的高能气体冲击压裂缝动态扩展数学模型;以微元法为基础,将裂缝扩展的整个过程划分为若干步长,通过压力变量将每个步长中的各子模型耦合,以时间步长增量为主线变量完成微元间的迭代循环,实现了对高能气体冲击压裂缝穿层扩展数学模型的快速、准确求解。这一成果实现了对复合储层冲击压裂过程中任意时刻裂缝形态的定量描述与层间界面处裂缝是否穿层的判别,弥补了传统模型只能表征单一层裂缝扩展的缺陷。(3)揭示了地质条件与高能气体冲击参量对压裂缝穿层扩展的影响规律。在构建的煤系复合储层冲击压裂缝穿层扩展数学模型及其求解方法的基础上,以临兴区块9号煤层及其顶底板组成的煤-泥岩-砂岩复合储层的地质条件为背景,模拟分析了储层地质条件与高能气体冲击参量对压裂缝穿层扩展的影响规律。结果表明:冲击载荷一定时,裂缝更易由高剪切模量、低泊松比、高密度的储层穿层进入低剪切模量、高泊松比、低密度的储层,界面倾角越小、界面粘结强度越大越有利于裂缝穿层;特定地质条件下,冲击载荷的加载速率越大越有利于裂缝穿层。层间弹性模量差增大时,高能气体冲击压裂缝的穿层高度、宽度与体积均呈线性规律增大;层间泊松比差增大时,高能气体冲击压裂缝的穿层高度与宽度呈负指数规律降低,裂缝体积呈线性规律减小;冲击载荷加载速率升高时,复合储层中压裂缝的穿层高度、宽度、体积均呈指数规律增加;冲击载荷压力峰值增加时,复合储层中压裂缝的穿层高度、宽度呈线性规律增大,压裂缝的体积呈指数规律增大。(4)揭示了高能气体冲击压裂缝穿层扩展的能量机制。在定性分析裂缝尖端能量传递规律的基础上,采用ABAQUS模拟软件,以临兴区块泥-砂岩复合储层为背景,选用指数型粘聚本构模型与Newmark-β显示动态时间积分方案模拟了不同加载速率下裂缝遇到界面时其尖端能量释放率的变化规律,揭示了压裂缝穿层扩展的能量机制。结果表明:裂缝遇到层间界面后,穿层方向与沿界面方向缝尖能量释放率的增速比随缝内载荷加载速率的升高呈对数规律增大,说明相较于沿界面方向,高加载速率更有利于穿层方向缝尖能量释放率的增长;裂缝到达复合储层界面时的扩展行为,取决于此时穿层方向与沿界面方向缝尖能量释放率谁先达到各自的临界值,加载速率越快穿层方向缝尖能量释放率的增速相应越快,穿层方向缝尖能量释放率越易率先达到临界值,裂缝越易穿层扩展;高能气体冲击压裂时裂缝内载荷的加载速率相较于水力压裂高5~6个数量级,裂缝尖端的能量更多的向穿层方向传递和集聚,这是相同地质条件下水力裂缝易沿界面扩展而高能气体冲击压裂缝穿层扩展的原因。(5)对煤系复合储层高能气体冲击压裂的最佳起裂层位进行了优选。以临兴区块9号煤及其顶底板组成的煤-泥岩-砂岩复合储层的地质条件为背景,对不同起裂层位下压裂缝的穿层扩展高度进行了模拟计算;以压裂缝穿层扩展高度为评价指标,优选了该复合储层高能气体冲击压裂的最佳起裂层位。结果显示:在9号煤及其顶底板组成的煤-泥岩-砂岩复合储层中,顶板砂岩层厚度1/4处起裂时压裂缝的穿层扩展高度最大,为13.5 m,是该复合储层高能气体冲击压裂的最佳起裂层位。