超临界CO₂压裂作为一种新型无水压裂技术,可望成为非常规油气高效开发的新技术。超临界CO₂压裂技术的一项重要环节是向裂缝内输送支撑剂,尤其是在长水平井段进行压裂作业过程中,水平环空携带支撑剂的成败直接影响压裂作业的成败。众所周知,超临界CO₂的黏度较低,密度较水小,其携砂能力比水低,因此将会影响其水平环空携带支撑剂效率。为了进一步明确水平环空超临界CO₂携带支撑剂运移规律,为提高超临界CO₂携带支撑剂能力提供理论依据,本文对超临界CO₂压裂过程中水平环空携带支撑剂运移规律进行了系统研究。基于相似理论和流体高压封闭流动特点,设计了超临界CO₂井筒携支撑剂装置,该装置可模拟地层温压条件下流体携带支撑剂运移过程。并可利用高速摄影手段通过视窗观测支撑剂运移特性和规律,开展了支撑剂轴向运移速度、砂床平衡高度参数影响规律研究,揭示砂床颗粒运移形态和支撑剂运移规律。实验结果表明:支撑剂颗粒在超临界CO₂中的运移过程可分为一层、二层、三层阶段;支撑剂轴向运移速度随着质量流量增大、砂比增大、出口压力减小、流体温度增加而增大;砂床平衡高度随着质量流量增大、砂比减小、出口压力减小、流体温度增加而降低。利用欧拉-欧拉模型和Realizable k-ε模型,对水平环空超临界CO₂携支撑剂运移规律开展了数值模拟研究。研究了砂床平衡高度、砂床长度、环空支撑剂浓度的参数影响规律,并对计算结果和实验结果对比分析,实验结果与数值模拟结果接近,误差较小,揭示了水平环空砂床的动态形成规律和支撑剂运移规律。数值结果表明:砂床颗粒在环空截面上呈现三层阶段运移形态,即颗粒的悬浮层、跃移层和静止层;砂床平衡高度随参数变化规律和实验规律相同;砂床长度随质量流量、砂比、出口压力的增加而增大,随流体温度的增加而减少;无因次注入量增加到一定值时,环空支撑剂浓度有随着出口压力的减小或流体温度的增加有减小的趋势,环空支撑剂浓度随着质量流量、砂比增加而增大。数值模拟和实验结果互相补充验证,揭示了水平环空超临界CO₂携支撑剂运移特性和规律,为超临界CO₂喷射压裂环空携带支撑剂参数设计提供了理论依据。