非常规油气资源储层是一种含有大量不均匀分布的多尺度孔隙、及大量随机分布的裂隙的致密低渗透介质,微观孔隙和裂隙提供了油气资源储存的场所与流动的通道。由于非常规油气储层渗透率极低,且油气藏储存较分散,长期以来,美国、加拿大等都是利用水力压裂技术来进行储层改造,提高页岩气等非常规油气的开采效率和产量。但是大规模水力压裂存在水资源短缺、环境污染和其他一些技术瓶颈。目前的研究表明,超临界CO2压裂具有节约水资源,不会污染自然环境,驱替CH4从而深层埋藏温室气体等等优点。由于我国还没有建立完备的水力压裂施工体系,而且非常规油气产区均严重缺水少水,发展超临界CO2压裂技术或许才是实现“弯道超车”,打开我国页岩气等非常规油气资源开采的钥匙。由于在长期的地质年代中沉积环境的不同,导致不同地质环境下不同致密储层岩石具有不同的孔隙结构,其所含的微裂缝的数量和分布均匀程度也不一样。一方面,这些随机存在的了隙、裂缝的不均匀性决定了储层岩石的各向异性;另一方面,在压裂过程中,也会导致渗流场和应力场的不均匀性。这种不均匀的渗流作用叠加在岩石的物理力学性质的各向异性上,进而会对压裂诱导裂缝的分布、演化产生重要的影响。非常规储层的孔隙、裂隙分布、地应力等特征对于超临界CO2压裂而言,相比较于普通水力压裂,其人工诱导裂缝扩展演化的机制,分布特征等是否存在异同?以往的压裂数值模拟研究多集中在储层特征(如岩石泊松比、弹性模量、地应力、储层渗透率、孔隙度、初始孔隙压力等等)的影响,对于压裂液性质的影响通常只关注粘度,而极少关注表面张力、可压缩性等特性。在分析超临界CO2压裂行为的数值模拟研究中,相比较于普通水力压裂,面临的挑战主要有如何模拟超临界CO2的特殊物理和力学性质(如超低粘度、高密度、超低表面张力、可压缩性等等)、如何考虑其状态的转变,吸热和放热反应引起的热应力,以及超临界CO2的特殊化学作用对诱导裂缝产生的各种影响。本文尝试采用颗粒流离散元数值模拟方法对此进行研究。首先从颗粒流离散元法的角度详细阐述了超临界CO2压裂数值模拟涉及到的相关计算力学技术。由于裂缝发展及其导致的破坏是岩石类介质受力之后最根本的表现方式,其内在机理是微观裂缝的产生和扩展,BPM(Bonded Particle Model)方法从模拟微观/细观裂缝的起裂和发展过程的角度描述岩石介质受力过程的响应。这种从根本、而非表象的角度进行力学模拟的方式使得BPM方法可以从更深层次探究压裂的内在机理,是连续介质模拟方法所不具备的。目前国内外基于BPM方法进行的压裂模拟主要集中在普通水力压裂研究方面,模拟超临界CO2压裂还处于起步阶段。普通水力压裂与超临界CO2压裂的主要区别在于超临界CO2的特殊物理和力学性质,及其在超低渗透储层中的特殊渗流行为等等,因此如何利用颗粒流离散元编官合适的算法模拟超临界CO2压裂的特殊机制是本文的一个研究重点。本文根据BPM方法中的渗流算法、黏结颗粒的本构行为、压裂液和固体颗粒之间的耦合形式等等算法,利用FISH语言及PFC3D程序接品编写了大量的渗流模拟、孔隙结构拟合、裂缝生成及其分布均匀程度计算、伺服控制地应力边界条件的算法、压裂过程中流固耦合计算、压裂诱导裂缝扩展等等加载程序嵌入到PFC3D中。建立的BPM数值模型可以模拟难以用连续的本构关系公式描述的复杂的本构行为,可以模拟天然致密储层的特征(如原位应力、岩石裂隙分布、孔隙结构、岩石的宏观力学性质等)、压裂液特性(粘度、密度、表面张力、可压缩性等等)等各种因素对裂缝扩展演化的影响。特别是基于三维Delaunay 三角剖分,将流体计算范围划分为许多“流域”(fluid domain)和“流动通道”(flow pipe),采用离散化渗流算法,可考虑毛细效应、压裂液的体积模量随压强的变化关系等效应。由于岩石在BPM方法中被模拟为微尺度上的颗粒相互黏结在一·起,黏结键(bond)的断裂表征微裂缝的形成,因此可以较高效地模拟微裂缝的演化特征。在本文的模拟中,提出了一种能够直接模拟岩石孔隙结构的算法,结合BPM方法中的渗流计算原理,模拟拟合实际岩石孔隙的数量分布和空间分布型式。利用FISH语言编写了 BPM模型固相微观参数和渗流计算微观参数的设置程序代码,根据室内试验得到的致密储层岩石力学参数,在PFC3D中建立了数值模型。为了定量地分析储层岩石中原始存在的自然微裂缝、不同的孔隙结构分布形式对压裂缝网的影响,提出了量化表征裂缝分布均匀程度的指数——分布均匀度(distribution uniformity index,DUI),并利用不同尺寸范围内的孔隙的DUI均值和二次均方差来表征不同大小孔隙的匹配关系和岩石孔隙的空间分布特征,在此基础上研究了页岩的孔隙分布特征、原始自然微裂缝结构、地应力特征等因素分别在超临界CO2压裂及普通水力压裂中对压裂诱导裂缝的空间形态结构及分布的影响。通过上述数值模拟计算,本文揭示了储层特征(孔隙结构、裂隙分布、地应力等)与压裂液特征(粘度、密度、表面张力、可压缩性等)共同作用下压裂诱导裂缝扩展演化的机理。得到的一些主要结论有:(1)从肉眼可视的宏观裂缝来看,当地应力很小时,超临界CO2压裂诱导裂缝与普通水力压裂没有明显差异。但从微裂缝的分布均匀性来看,超临界CO2压裂的分布均匀指数(distribution uniformity index,DUI)大于普通水力压裂。当地应力较大时,超临界CO2压裂的诱导裂缝分叉更多,与普通水力压裂的裂缝几何形状差异很明显。(2)超临界CO2压裂中诱导微裂缝的分布均匀指数随地应力的增加而增大。但在普通水力压裂中不存在这种变化趋势。这表明,当地应力较大时,超临界CO2压裂的优势更为明显。(3)当其他条件相同时,超临界CO2压裂的诱导裂缝的分布均匀指数比普通水力压裂的诱导裂缝的分布均匀指数显著大很多。随着初始微裂缝的分布均匀指数的增加,其增长趋势更加显著。较大的分布均匀指数表示裂缝的分布更均匀,且诱导裂缝更复杂,具有多个分支。其结果表明,在一定条件下,超临界CO2压裂的油气回收效果优于水力压裂。(4)当水平应力之比相对较小时,初始裂缝DUI对压裂诱导裂缝DUI的影响很明显。在水平应力之比相对较高的情况下,压裂诱导裂缝DUI对初始裂缝DUI的敏感性不高。这表明只有在较好的地应力条件下(即水平应力比为1.0或数值基本相当),超临界CO2压裂才能充分发挥其优势。且对于深部储层(即地应力数值越大),超临界CO2压裂的优势越明显。页岩储层压裂后的产能与诱导裂缝网络的分布特征密切相关。模拟结果表明,孔隙结构特征、天然微裂缝的分布均匀性对诱导裂缝的演化有重要影响。因此,除了岩石的宏观物理力学性质之外,在预测超临界CO2压裂特性时,综合考虑孔隙结构及天然微裂缝的特征对诱导裂缝扩展和分布的影响是必要的和重要的。需要指出的是,本文的数值模型只涉及到超临界CO2的特殊物理力学性质(如超低粘度、高密度、超低表面张力、体积模量随压强的变化等等)对诱导裂缝的影响。而尚未涉及超临界CO2在压裂过程中的状态转变,吸热和放热反应引起的热应力,以及超临界CO2的特殊化学作用等效应。超临界C02压裂是一个十分复杂的问题,本文的研究只涉及其中的一小部分。在今后的工作中我们会进一步完善BPM数值模型,全面考虑各方面效应,更透彻地理解超临界CO2压裂机理。本文的研究中主要有以下几个创新点:1)在BPM方法中嵌入与固相DEM计算类似的离散化渗流算法,压裂模型可以模拟超临界CO2的超低粘度、高密度、超低表面张力、体积模量随压强变化的特征等因素;2)提出了量化表征裂缝分布均匀程度的指标——分布均匀指数(distribution uniformity index,DUI),并研究了储层岩石包含不同分布均匀指数的原始自然微裂缝时,在与地应力的共同作用下超临界CO2压裂的机理,及与普通水力压裂相比,其裂缝演化特征的异同;3)结合BPM方法中的渗流计算原理,提出了能够直接模拟岩石孔隙结构的算法,提出了不同尺寸范围孔隙分布均匀程度的匹配关系和岩石孔隙的空间分布特征的量化表征方法,模拟拟合实际岩石孔隙的数量分布型式和空间分布特征。研究了致密储层岩石在孔隙结构和地应力的共同影响下,采用超临界CO2压裂和普通水力压裂时,其微裂缝演化汇聚与宏观裂缝扩展特征的异同。