CO₂压裂具有减轻储层伤害、提升产能以及实现环保开发等诸多优势。由于CO₂的强扩散性和变物性,会导致压裂过程中CO₂的流失严重和物性变化剧烈,有必要对CO₂压裂液的高滤失特性、缝内流动传热规律以及相态分布进行研究。 本文以能量守恒、质量守恒和达西定律为基础,建立了CO₂压裂液的滤失数学模型,推导出滤失速度、滤失量和滤失系数的计算方法。结合页岩中CO₂相变渗流的特点,构建了滤失数值模型,分析了不同参数下滤失量和滤失系数的变化规律。研究发现:相态变化在CO₂滤失过程中起关键作用,CO₂未发生相态变化时,CO₂为纯液态或纯超临界态,温度、压力和流速通过影响压裂液粘度进而影响滤失系数,温度升高、压力降低和流速变大,导致CO₂粘度减小,滤失系数变大。CO₂发生相态转变时,密度相较于液态CO₂显著降低,体积大幅膨胀,膨胀作用成为滤失过程的主导因素。 基于CO₂的滤失效应,采用CFD方法建立了CO₂压裂液在裂缝中的流动传热模型,研究了CO₂在裂缝内的温度、压力、密度、粘度和相态分布,分析了不同注入排量、温度和压力对CO₂流体温度、密度和滤失量的影响。结果表明:压裂10 min后,裂缝内CO₂以超临界态为主,各项物性参数处于稳定状态,所以在实际CO₂压裂施工时,可认为裂缝内CO₂已达到超临界态,无需单独考虑温压变化对相态转变的影响。 基于前文相态分析,认为缝内达到超临界态,利用产能数值模拟软件优化了M区块X水平井的裂缝参数组合,并结合裂缝优化结果优化了施工参数组合,提出了适合M区块的CO₂压裂施工方案。结果显示:最优裂缝参数为4簇9段36条缝,裂缝半长105 m,导流能力8μm²·cm,裂缝间距90 m;最优施工参数为施工排量5.6 m³/min,注入液量为550 m³,加砂强度2.4 t/m。现场应用中,平均单段测试产量贡献率为1.27倍,优化效果显著。 本文为CO₂压裂的工程应用提供了一定的理论依据,同时为现场施工优化提供了技术参考,对实现我国页岩气的长期稳定开采具有重要意义。