摘 要

超临界二氧化碳射流已经投入到页岩气开发的工程应用中。超临界二氧化碳流体（SC-CO₂）具有破岩起始压力低、破岩速率高等特点，同时，SC-CO₂流体在气相附近具有较低的黏度，在液相附近具有较高的密度，因此，它在钻井破岩，压裂增渗方面具有很大的优势。本文对超临界二氧化碳射流进行了仿真模拟，研究其流动特性，本模拟的目的是为了探究不同靶距、工作压力、围压对超临界二氧化碳射流冲击破岩压力的影响规律。仿真模型的控制方程由雷诺平均NS方程，能量方程，质量方程，连续性方程组成，采用k-omega湍流模型来控制湍流特性。边界条件仅设置压力进口和压力出口，进行了仿真模拟。结果表明：

（1）在相同的边界条件下，随着靶距的增大，射流冲击破岩压力逐渐减小，靶距为1倍喷嘴直径时可获得最佳破岩效果；

（2）随着工作压力（即进口压力）的增大，射流的冲击破岩压力相应增大，工作压力增大到一定程度时，冲击压力可大于工作压力；

（3）随着围压的增大，冲击压力没有明显变化，但呈上升趋势。冲击核心区域范围也有所增大。

关键词：超临界二氧化碳；页岩气；Fluent；数值模拟；仿真计算

Abstract

Supercritical carbon dioxide jet has been put into the engineering application of shale gas development. Supercritical carbon dioxide fluid (SC-CO₂) has the characteristics of low initial rock breaking pressure and high rock breaking rate. At the same time, SC-CO₂ fluid has low viscosity near the gas phase and high density near the liquid phase. Therefore, it has great advantages in drilling rock breaking and fracturing and permeability enhancement. In this paper, the flow characteristics of SC-CO₂ jet were studied by numerical simulation. The purpose of this simulation was to explore the influence of different target distance, working pressure and confining pressure on rock breaking pressure of supercritical carbon dioxide jet. The simulation model was controlled by RANS equation, continuity equation and energy equation. K-omega turbulence model was used to control the turbulence characteristics. The boundary conditions were only set up with pressure inlet and outlet, and the simulation was carried out. The results show that:

(1) under the same boundary conditions, with the increase of the target distance, the rock breaking pressure decreases gradually, and the best rock breaking effect can be obtained when the target distance is 1 times the diameter of the nozzle;

(2) with the increase of the working pressure (the inlet pressure), the rock breaking pressure of the jet increases correspondingly, and when the working pressure increases to a certain extent, the impact pressure can be greater than the working pressure.

(3) With the increase of confining pressure, the impact pressure did not change significantly, but showed an upward trend. The impact core area also increased.

Key words:SC-CO₂；Shale gas；Fluent；Numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 2

1.3 研究现状 3

1.4 研究内容与方法 3

1.5 本章小结 4

第2章 SC-CO₂与数值模拟简介 5

2.1 SC-CO₂简介 5

2.2 超临界二氧化碳应用 6

2.2.1 超临界二氧化碳钻井技术 6

2.2.2 超临界二氧化碳压裂技术 7

2.2.3 超临界二氧化碳驱油技术 9

2.3 数值模拟简介 9

2.4 本章小结 10

第3章 超临界二氧化碳射流数值模拟 11

3.1 模型建立 11

3.2 参数设定 13

3.3 SC-CO2射流与水射流对比 15

3.4 本章小结 19

第4章 超临界二氧化碳射流影响参数分析 20

4.1 靶距对超临界二氧化碳射流破岩压力的影响规律 20

4.2 工作压力对超临界二氧化碳冲击破岩压力的影响规律 23

4.3 围临界二氧化碳流冲击破岩压力的影响规律 29

4.4 本章小结 32

第5章 结论与展望 33

5.1 结论 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

绪论

研究背景

随着科技与社会的发展进步，人们对能源的需求量越来越大，开采的常规能源如石油，天然气等，赶不上我们的生产生活需求，还需要大量进口国外能源资料。每年进口的天然气资源以百亿m³为单位计量，并逐年增长，这使我国能源安全受到严重影响。勘验开发新的非常规油气藏迫在眉睫。页岩气正是非常规油气藏资源中的一种，我国页岩气资源的储量极其丰富，高达30万亿m³，开采页岩气接替常规能源的利用，是个重大的机遇和挑战。如何高效开发，保障安全则是其中的关键性问题。

储藏页岩气的岩层，孔隙度与渗透率都非常低，对其开发利用，就必须对页岩层进行破碎压裂，以提高页岩渗透率，现阶段技术比较成熟的是美国的水射流压裂技术，其年产量接近2000亿m³。但此技术在我国并不适用，一方面是我国页岩气储藏区域基本位于贫水区域，且开采地况复杂；另一方面是用于开采的水射流含有添加物质，会对地下水资源造成严重污染。因此必须建立一套适用于我国高效页岩气开采条件的理论方法与开采技术。

超临界二氧化碳（SC-CO₂）是二氧化碳处于介于气态与液态之间的超临界状态，其具有气体低黏度和液体高密度的双重物理特性，因此，有科学家提出利用SC-CO₂强化页岩气高效开发的想法。超临界二氧化碳强化页岩气高效开采是指：通过改变压力和温度使在工业生产中捕集的二氧化碳处于介于气态与液态之间的超临界状态，将超临界二氧化碳注入页岩层，一是利用SC-CO₂射流冲击破碎压裂页岩，从而提高储层页岩的渗透能力；二是页岩对CO₂的吸附能力远远大于对CH₄的吸附能力，在置换出页岩气的同时，还可将CO₂封存于页岩层中，达到减排的目的，为我国页岩气高效、绿色开发开辟新的技术路径。超临界二氧化碳强化页岩气高效开发基础项目已于2013年由李晓红院士带头向科技部申请正式立项（973计划）。

用超临界二氧化碳代替水介质来开发页岩气存在以下优势：

1. SC-CO₂钻井可以提高钻井效率，缩短工程周期。SC-CO₂射流能够破碎页岩、大理岩及花岗岩，其破岩门限压力比水射流要小得多，并且SC-CO₂喷射钻井能够达到较高的机械钻速；
2. SC-CO₂流体进行储层喷射压裂改造时，其低黏特性能够使储层产生诸多微裂缝，从而最大限度地沟通天然裂缝，进一步提高裂缝的导流能力；
3. SC-CO₂射流可以很容易钻穿渗透率低的页岩气储层，能有效保护页岩气藏；
4. 页岩对CO₂的吸附能力是CH₄的4-20倍，可以驱替页岩层中的甲烷，提高气井单井产量。

页岩气储层环境与天然气，煤气储层环境差别很大，利用CO₂开采常规油气藏的技术方法开采页岩气是不适用的。我国对于页岩气的勘探方法，SC-CO₂冲击破岩，压裂页岩的机理，页岩气开采的安全评价理论很不成熟，没有科学的理论技术支持，严重制约了我国对非常规油气藏，尤其是页岩气的开发利用，迫切需要相关理论技术做出重大突破。

为了在资源开发与生态环境保护并重的基础上高效开发我国页岩气资源，有必要在现有科研成果的基础上，考虑我国页岩气藏地质条件的共性和独特性，以及我国的经济情况和科学技术水平、确定和不确定性因素的综合影响，加强页岩气藏的地质特征、形成机理、分布规律、SC-CO₂强化开采页岩气机理、监测方法及安全评价等方面的基础性科学研究，最终形成系统的超临界二氧化碳强化页岩气高效开发理论体系。

综上所述，开展超临界二氧化碳强化页岩气高效开采的科学基础理论研究是我国开发页岩气资源的关键，是国家缓解能源供需矛盾、调整能源结构、保障能源安全重大而迫切的战略需求。

研究目的及意义

利用超临界二氧化碳强化页岩气高效开发的技术是复杂的综合性学术问题，涉及工程地质学、地球物理学、岩体力学、流体力学、渗流力学、化学、系统工程、计算科学、风险评估等多学科研究领域的理论与方法。与常规天然气、煤层气等相比，页岩气开发方式、基本原理和技术特点有很大的、甚至是本质的不同，由于页岩本身既是烃源岩又是储层、甚至盖层，页岩气在页岩中主要的赋存形式是吸附和游离气，页岩储层渗透率极低，即使采用水平井等先进的开发技术，往往也收不到预期的效果。SC-CO₂射流压裂开采页岩气相较于水射流开采页岩气具有两大优势，一是可以节约大量水资源，二是页岩对CO₂的吸附能力远远大于对CH₄的吸附能力，在置换出页岩气的同时，还可将CO₂封存低于页岩层中，达到减排的目的，并且不会像水射流开采一样对地下水造成污染。

本文拟通过对SC-CO₂射流进行数值模拟，探究其流动特性，分析出不同冲击靶距，工作压力，围压等条件下对SC-CO₂射流冲击破岩压力的影响规律，得出结果，为SC-CO₂射流开采页岩气的实际实验及工程应用提供可靠的理论依据和数据支撑。

研究现状

利用超临界二氧化碳开采页岩气的技术环节有很多，对于超临界二氧化碳开采页岩气的技术研究，有杜玉昆^[1]对超临界二氧化碳射流破岩机理研究，发现超临界二氧化碳射流破岩的过程及机理；石立红^[2]通过对CO₂在页岩气储层中的性能研究，结合所做的仿真模拟计算结果，确定了利用SC-CO₂开采页岩气的可行性。通过对CO₂在页岩气井中的风险评估，结合CO₂对开采页岩气的各项机械设备及设施的侵蚀和防侵蚀实验，确定了SC-CO₂应用于开采页岩气中的安全性。为我国页岩气藏开发方案和开采工程的安全性提供一定的理论基础和技术支持；陈钰婷^[3]以四川盆地页岩气富集区的页岩作为研究对象，从页岩的眼微结构和物质组成方面研究出了超临界二氧化碳对页岩力学性能的影响，分析了页岩在SC-CO₂作用下，其力学性质变化规律；罗亚煌^[4]研究了在不同边界条件下的SC-CO₂作用前后页岩的微观结构特点，分析了SC-CO₂影响改变页岩结构的原理，得出页岩的吸附/解析特性并建立相关模型。

对于超临界二氧化碳射流的流体动力学研究涉及也比较多，有贺振国^5-7]等人做了多方面的相关研究，①研究了SC-CO₂磨料射流的流动特性和流场特性，分析了SC-CO₂射流在页岩上的冲击破碎的射孔特点和性质；②研究了围压对超临界二氧化碳射流冲击破岩压力与冲击腐蚀射孔的影响；③研究超临界二氧化碳磨料射流中的磨料颗粒跟随运动情况及影响因素。

研究内容与方法

1. 查阅文献，搜集整理关于SC-CO₂射流压裂页岩的相关资料，整理喷嘴结构模型的几何尺寸，确定本仿真模拟的喷嘴结构；查阅二氧化碳的各项物性参数，临界温度为31.1℃、临界压力7.38兆帕；了解超临界二氧化碳射流在页岩气开采过程中的工作状态以及环境状况，为后续工作提供数据基础与理论基础；
2. 学习使用流体计算动力学软件Fluent，通过学习几个经典的基本算例，如后台阶流动，圆柱绕流，方腔自然对流等，掌握该计算软件进行仿真模拟的过程及使用方法，学会建立结构模型，参数设置，结果分析，为下一步进行SC-CO₂射流仿真实验做好准备；
3. 基于Fluent软件针对本研究建立SC-CO₂射流冲击页岩的仿真模型，设置好喷嘴，二氧化碳的各项物性参数，进行一个基本状态的初步运算，先算出一个收敛稳定的算例。如果计算无法收敛，则需要调整网格划分或者调整喷嘴模型的参数，重新运算出一个收敛稳定的结果，之后在进行进一步的数值模拟；
4. 结合初步运算处理的实际情概况，改变主要影响SC-CO₂射流破岩压力的参数（围压，工作压力，靶距）对比，模拟研究在不同围压、工作压力及靶距条件下，SC-CO₂射流对页岩的破岩压力的影响规律，进而得出此处三个参数较合适的结果，为相关具体实验提供参考依据。

本章小结

本章主要介绍了973计划超临界二氧化碳强化页岩气高效开发的背景，并且整理研究超临界二氧化碳射流冲击压裂页岩，开采页岩气的发展现状，分析影响超临界二氧化碳射流冲击破岩压力的影响因素，确定本文主要的研究超临界二氧化碳射流流动特性的内容，方向及方法。

SC-CO₂与数值模拟简介

SC-CO2简介

超临界流体（SCF）是特指处于临界压力和临界温度之上的，气相与液相平衡共存的流体，例如氮气，乙烯，丙烷，二氧化碳等。在这些可以作为超临界流体的物质中，超临界二氧化碳由于其具有物理化学性质稳定、无毒、不易燃烧爆炸、价格便宜、工业生产方便，并且具有较低的临界压力（7.38MPa）和临界温度（31.1℃）等性质，而在化工行业，食品工程，制药工程，采矿工程等科学领域有着广泛的应用。

SC-CO₂流体技术是进三十年来新兴的一项技术，目前，SC-CO₂流体在国际上得到了飞速发展，在诸多工业与工程技术领域都取得了巨大进步。物质的临界状态，是指在一定温度压力条件下，其液态与气态物质处在一个平衡共存的边缘状态。在这种状态下，该物质的饱和蒸汽体积质量与液体体积质量相同，因此，气体与液体的界面消失。纯CO₂压力与温度关系如图2-1；

图2-1 二氧化碳三相图

图中，O~A线为CO₂气—固平衡的升华曲线，O~B线为CO₂液—固平衡的融化凝固曲线，O~C为CO₂气—液平衡的蒸气压曲线，O为CO₂气—液—固三项共存的三相点，三相点沿着气—液蒸气压曲线增加温度和压力，即可到达CO₂的临界点C。当CO₂处在高于临界温度和临界压力时，就称为超临界状态（图中超临界流体区）。CO₂的临界温度为31.1℃，临界压力为7.38MPa，临界密度为0.449g/cm3 。SC-CO₂流体介于气体和液体之间，兼有气体，液体的双重特点，其密度接近于液体，而黏度接近于气体，其扩散系数是液体的进百倍。

超临界二氧化碳应用

高压水射流技术的引进与实践在石油工业的多个领域都取得了成功的运用，如磨料射流钻井和射孔^[8]、水射流辅助多层压裂^[9]和利用磨料水射流技术进行海上井口切割^[10]。但是，与水射流相比，超临界二氧化碳（SC-CO₂）更适合油气藏的开发。SC-CO₂射流的破岩门限压力低，破岩效果好。另一方面，超临界二氧化碳流体密度比水大，更容易控制井下压力。表2-1列出了水和超临界二氧化碳的密度和黏度。

表2-1 水和SC-CO₂的密度和黏度比较（T=320K）

超临界二氧化碳在非常规油气藏的开发中也有了广泛的应用，如钻井、压裂、驱油、除垢洗井等，皆是由于超临界二氧化碳射流相较于水射流物性的表现出的优势。

超临界二氧化碳钻井技术

超临界二氧化碳运用于钻井的技术最早可以追述到二十世纪末，美国最先开始这方面的研究。在1998年，Kolle与Marvin就一起完成了“Coiled Tubing Drilling Using Supercritical Carbon Dioxide”^[11]，同一年，Tempress公司申请了一个超临界二氧化碳连续油管钻井专利^[12]，之后，超临界二氧化碳钻井技术进入越来越多研究者的视野

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