超临界二氧化碳磨料射流射孔数值模拟与实验研究

Shale gas, as an important alternative energy in China, has not yet become commercially extracted due to the ultra-low porosity and permeability of shale gas reservoir. Supercritical carbon dioxide fluid (SC-CO2) has properties of high density, low viscosity, high diffusivity, zero surface tension, and meanwhile, it has no contamination to the reservoir. Thus, it is expected to get better effects by using SC-CO2 jet to fracture the shale gas reservoir. Abrasive SC-CO2 jet will play an important role in the jet-assisted fracturing operation, so we are planning to carry out the research on its perforating characteristics. Numerical simulation is used to optimize the nozzle type, it based on the structure and mechanical characteristic of the abrasive SC-CO2 jet and the influence rules of nozzle structure on flow filed, following abilities of different types of abrasive is also studied by numerical simulation to reveal the influence rules of jet parameters, downhole environment and particle properties on following ability of abrasive; experiments conducted to measure the capacity of milling window in casing and the effects of differential jet pressure, jet temperature, standoff distance and some other factors on the rock erosion. The research can provide the fundamental for development of SC-CO2 jet-assisted fracturing technique, and discover a new technology to achieve high-efficient and commercial-viable exploitation of shale gas in China.

页岩气是我国重要的战略接替资源，但是页岩储层孔隙度小、渗透率极低，实现经济开发难度较大。超临界CO2流体具有高密度、低黏度、高扩散性、零表面张力等特点，对储层无污染，利用超临界CO2喷射压裂开发页岩气藏可望取得较好的效果。超临界CO2磨料射流射孔是喷射压裂过程中的重要环节。因此，项目计划对超临界CO2磨料射流射孔特性展开研究。数值模拟研究超临界CO2磨料射流结构和力学特性，以及喷嘴结构对超临界CO2磨料射流流场的影响规律，并依此优选喷嘴结构类型；数值模拟研究不同类型磨料在超临界CO2射流中的跟随特性，揭示射流参数、井下环境、磨料类型等参数对磨料跟随特性的影响规律；实验研究超临界CO2磨料射流套管开窗能力，以及射流压力、温度、喷距等参数对超临界CO2磨料射流岩石射孔能力的影响规律。研究成果可望为超临界CO2喷射压裂技术奠定基础，为我国页岩气的高效、经济开发探索出一条新的技术途径。

我国页岩气资源非常丰富，有望成为未来重要的接替能源。常规大规模水力压裂开发页岩气存在很多局限性，如水资源枯竭、储层污染和环境污染等。本研究结合水力喷射压裂与超临界CO2流体特性，提出了超临界CO2喷射压裂技术，有望成为页岩气等非常规油气高效开发新方法。磨料射流套管开窗是喷射压裂的重要一环，但超临界CO2流体黏度低，仅为水的十分之一左右，能否有效形成磨料射流尚存疑问。本研究通过数值模拟与室内实验方法，对超临界CO2磨料射流的形成与冲蚀效果进行了研究。.项目对超临界CO2磨料射流结构特性数值模拟、超临界CO2磨料射流中磨料跟随特性、超临界CO2磨料射流射孔效率及影响规律等进行了研究。结果表明：与液态水、瓜胶压裂液相比，磨料在超临界CO2流体中的跟随加速较慢，但最终可获得与流体同等水平的喷射速度（两相速度差仅为0.7m/s，两相速度比为99.6%）；由于超临界CO2流体黏度低且过喷嘴后骤降，与液态水、常规瓜胶压裂液等磨料射流相比，超临界CO2磨料射流颗粒速度不易衰减、撞击靶件速度更大（为其他磨料射流颗粒撞击靶件速度的1.21~1.54倍）；颗粒撞击靶件速度存在最优喷距，围压与磨料浓度增大使喷嘴外两相速度略有降低，流体温度升高、磨料粒径增大均使颗粒加速变慢但可提高颗粒撞击靶件的速度；超临界CO2磨料射流可有效冲蚀破坏大理岩、页岩、砂岩等靶件形成射孔孔眼，孔眼形态相似，截面圆形规则、壁面平滑；超临界CO2磨料射流射孔深度随射流压差增大而增大，随喷距增大先不变后减小，射孔体积先增后减，而不同围压、流体温度、磨料粒径对射孔效果的影响则相对较小。通过本项目的研究，揭示了超临界CO2磨料射流切割射孔特性及规律，为超临界CO2喷射压裂技术的工程应用奠定理论基础，对促进我国页岩气等非常规油气资源的开发具有重要的意义。.项目共发表学术论文11篇，其中SCI检索6篇次，EI检索6篇次，会议论文2篇，获得国家发明专利1件，申请国家发明专利2件，获软件著作权1项，培养博士研究生1名，达到了项目考核指标。