建造增强型地热系统、形成复杂缝网是开发干热岩资源的关键,目前其主要采用的手段是水力压裂。然而,长期的实践证实干热岩水力压裂面临“造缝要求高、改造难度大、注采井沟通困难”的困局,单一的静态荷载改造方式难以形成立体式密集缝网。为此,在河北省自然科学基金优秀青年科学基金项目(编号:A2024210057)、国家自然科学基金面上项目(编号:1237021756)资助下,本文提出“CO₂压裂+CO₂相变爆破”的复合改造方式,力图形成一种新的干热岩储层改造技术。为了研究“CO₂压裂+CO₂相变爆破”作用下干热岩储层复合改造效果,本文首先开展了干热岩CO₂压裂室内实验,分析了不同围压、轴压和注入速率影响下压裂裂隙空间形态展布特征,揭示了CO₂压裂后孔裂隙结构参数的演化规律;其次基于霍普金森压杆实验(SHPB)和Ls Dyna数值模拟开展了动态冲击作用下干热岩裂隙扩展规律及动态致裂机理;最后,基于离散元法分析了“CO₂压裂+CO₂相变爆破”复合改造过程中裂隙二次扩展及交互规律,阐明了复杂裂隙形成机理。主要结论如下: (1)干热岩CO₂压裂裂隙扩展受到围压、轴压和注入速率的影响,围压、轴压的增大抑制孔裂隙发育,而注入速率的增大对孔裂隙的发育具有促进作用。提升围压、轴压一方面压密干热岩原始孔裂隙,另一方面提高干热岩破裂压力,导致CO₂压裂裂隙扩展受限;提升注入速率可快速进行增能改造,促进孔裂隙的发育和连通,形成更为复杂的孔裂隙结构。 (2)随着冲击速度的增大,试样裂隙从“一”字型、“T”字型、“Y”字型发展为“横纵交错”型,反映出强烈的动荷载作用有助于复杂裂隙的形成。CO₂相变爆破受到压裂裂隙、储层埋深、冲击波峰值、爆破次数的综合影响。应力波在压裂裂隙中的反射和折射促进了周围次级裂隙的发育,埋深增大提高了起裂压力,不利于爆破裂隙发育,冲击波峰值增大促进了应力波传播距离,扩大了改造范围,适当增大爆破次数(6次)可促进损伤累积、有利于裂隙缝网的形成。 (3)CO₂压裂裂隙延伸长度大、裂隙面较平滑、受地应力影响大,CO₂相变爆破裂隙密度大、连通性好、受地应力影响小。先压裂后爆破工况下,压裂裂隙周围产生大量新裂隙,裂隙密度比仅压裂工况下提升87.50%-350.00%,裂隙进一步连通形成破碎区,裂隙网络连通性增大而延伸程度不够;先爆破后压裂工况下,压裂裂隙沿爆破裂隙尖端起裂并扩展,裂隙长度比仅爆破工况下提升42.50%-269.73%,在保持较好裂隙连通性的同时,极大地提升了裂隙延伸范围。同时,先爆破后压裂工况下裂隙长度比先压裂后爆破工况提升118.76%-195.04%,证实先进行CO₂相变爆破后进行CO₂压裂,可以降低压裂起裂压力,促进更多次级裂隙大范围扩展,改造效果良好。 研究结果促进了对“CO₂压裂+CO₂相变爆破”复合改造机理及效果的深入认识,为干热岩增强型地热系统建造提供了新思路,助力干热岩储层改造技术的更新和升级。