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深层页岩超临界CO2压裂裂缝扩展机制研究

深部页岩处于高温高应力环境，页岩力学性质逐渐由弹脆性向延塑性转化，不利于形成复杂缝网。超临界CO2(下文统一简称为SC-CO2)可使页岩储层更容易形成复杂裂缝，但由于其压缩性与高扩散性导致现有裂缝扩展准则不适用，扩展机制与水力压裂差异大。本文基于G准则推导弹-塑性剪切模式下的临界能量释放率，结合相场法、流-固耦合原理、Drucker-Prager屈服准则，建立能描述SC-CO2相变的弹-塑性压裂裂缝扩展的相场演化模型。研究揭示了CO2的压缩性和高扩散性对裂缝扩展的影响机制，CO2积累的能量在裂缝扩展过程中得到释放使得CO2发生相变，而相变的能量给驱动能提供了额外的能量源使裂缝持续扩展。CO2的高扩散性会使页岩孔隙压力增大，一方面降低有效应力使破裂压力降低，另一方面使拉伸临界失效能降低，使裂缝产生分叉导致裂缝更为复杂；明确了围压对CO2压裂裂缝扩展的影响机制。在围压较低时，SC-CO2相变瞬间爆发出大量能量且作用范围较为扩散，能量值远远超过了临界能量释放率，导致更加容易产生多分支裂缝；而随着围压的增加，SC-CO2压裂过程中相变产生的能量逐渐由1.74×108J/m³降低至1.8×107J/m³，作用范围受围压的影响逐渐变得单一，且随着临界能量释放率的增大，导致裂缝难以扩展从而产生简单裂缝。明确了而相变能量对裂缝扩展的贡献率由34.55％降至1.78％。