在工业革命后的200多年里,化石燃料的燃烧而产生的大量二氧化碳未经处理被直接排放到大气中,导致大气中二氧化碳浓度上升,进而导致全球气温升高。一些学者提出了二氧化碳促进页岩气高效开发和地下储存一体化的思想,以解决二氧化碳排放引起的人类能源需求与气候变暖之间的矛盾。超临界状态下二氧化碳兼具液体的溶解性好、密度高与气体的扩散强、界面张力低的优点。近年来,超临界二氧化碳作为无水压裂液被应用于油气层压裂。前人对二氧化碳压裂的裂缝扩展的相关研究,大多集中于物理实验模拟。由于存在尺寸效应,物理实验揭示的规律常难以满足实际工程需要,幸运的是数值模拟技术可以解决尺度效应问题。但前忽略了液态与超临界态二氧化碳物性差异,简化了缝高扩展过程,从而导致裂缝高度方向扩展与二氧化碳物性参数计算结果与实际差异大。在前人的基础上,本文专门针对超临界二氧化碳压裂裂缝扩展进行数值模拟研究。综合运用断裂力学、流体力学、热力学、传热与传质学等学科的理论,以及边界元、有限体积以及有限差分等数学计算方法,建立了流-固-热耦合的超临界二氧化碳压裂裂缝三维扩展模型的数值计算方法。以此为基础,编制了超临界二氧化碳压裂裂缝扩展模拟程序并分析了储层温度、储层原始地应力、杨氏模量、泊松比、施工流体种类、注液排量、井底温度等因素对压裂裂缝扩展特征的影响。研究内容和成果摘要如下。(1)分析了超临界二氧化碳压裂与裂缝扩展数值模拟技术分析了超临界二氧化碳的特征,梳理了超临界二氧化碳压裂裂缝扩展模拟的普遍难点。针对超临界二氧化碳压裂时的流体物性参数动态变化的特殊性以及对相态控制的高要求,分析现有裂缝扩展模型的不足,并提出了二氧化碳压裂裂缝扩展模拟的建模思路。(2)建立了流-固耦合裂缝三维扩展模型基于三维边界单元法和有限体积方法,考虑压裂液的滤失影响,建立了流-固耦合条件下三维水力压裂裂缝扩展物理与数学模型。为计算裂缝尖端的位置,引入了扩展有限元中的水平集函数。基于牛顿拉夫逊迭代进行求解,实现了裂缝三维扩展的模拟。(3)建立了流-固-热耦合超临界二氧化碳压裂裂缝三维扩展模型考虑了二氧化碳物理性质受温度和压力的影响,基于能量守恒准则,建立了缝内流体的温度场计算模型,采用Span-Wagner模型和Vesovic模型,计算压裂过程中裂缝内的二氧化碳相态及物理性质参数。将温度场模型、二氧化碳参数计算模型与上一步建立的流-固耦合裂缝三维扩展模型耦合,构建起流-固-热耦合的超临界二氧化碳压裂裂缝三维扩展模型。(4)揭示了多因素影响下的二氧化碳压裂裂缝扩展特征基于上述模型,编制了流-固-热耦合的二氧化碳压裂裂缝三维扩展模拟程序;计算并分析了储层温度、储层原始地应力、杨氏模量、泊松比、施工流体种类、注液排量、井底温度等因素对裂缝几何形态和井底施工压力的影响;发现除在储层岩石力学参数外,超临界二氧化碳压裂裂缝形态受储层的温度、原始地应力的影响也较为明显,施工参数中施工排量对裂缝形态的影响也不可忽视。