CO2压裂中裂缝扩展诱导的相变与热动力学响应机制研究

针对CO2压裂过程中裂缝扩展引发的瞬态压力阶跃与热流体响应量化难题，重庆大学团队开发了基于拉格朗日框架的非稳态流动-传热耦合模型。研究揭示了裂缝尖端长度（1-5 m）和初始压力（阈值3.5 MPa）对两相区形成的关键控制作用，发现最大温度梯度达202 K/0.54 m，为CO2压裂复杂裂缝网络生成机制提供了理论支撑。

　　

在非常规油气开发领域，CO₂压裂技术因其能减少水资源消耗、增加储层改造体积（SRV）等优势备受关注。然而，裂缝扩展过程中由瞬态压力阶跃引发的CO₂相变与热流体响应机制长期缺乏定量表征，这限制了复杂裂缝网络生成机理的深入理解。现有研究多聚焦准稳态条件下的温度场演化，对毫秒级动态过程的捕捉存在明显空白。

重庆大学资源与安全工程学院的研究团队通过建立非稳态流动-传热耦合模型，创新性地采用拉格朗日框架（ALE）结合HLLC通量算法，首次实现了对裂缝动态扩展过程中CO₂相变与热力学行为的精确模拟。该研究发表于《Geoenergy Science and Engineering》，揭示了压力阶跃诱导的独特气-液两相区演化规律。

关键技术包括：1）基于Span-Wagner状态方程的CO₂物性计算；2）三阶Runge-Kutta时间离散与WENO-THINC空间重构；3）考虑Joule-Thomson效应的流体渗漏模型；4）均质平衡模型（HEM）描述相变过程。

5.1 裂缝扩展期间的流动特性

研究发现裂缝尖端形成后，压力阶跃引发膨胀波（左行）和冲击波（右行）的叠加效应。在1 MPa初始压力下，冲击波2.06 ms抵达裂缝趾端时产生320 m/s的峰值流速，伴随265.5 K的极低温和202 K的温度梯度（0.54 m范围内）。相变分析显示两相区最大宽度0.37 m（1 m裂缝尖端），存在时间2.72 ms，其演化严格遵循CO₂饱和曲线。

5.2 关键参数影响机制

裂缝尖端长度与初始压力被证实为控制相变的核心参数。当长度从1 m增至5 m时，传播时间呈立方增长（183.23→1004.32 ms），两相区最大宽度扩至1.18 m。而初始压力阈值（3.5 MPa）的发现尤为重要：低于该值时两相区沿饱和曲线演化，高于时则直接进入超临界态。冲击波速分析表明，其在两相区（约250 m/s）和高压力区（>30 MPa时300 m/s）传播更快。

讨论与意义

该研究首次量化了CO₂压裂动态扩展中的瞬态热力学响应，阐明流体积累（需增加6.34 kg质量）与膨胀冷却（ΔT_max=202 K）是驱动裂缝扩展的双重机制。建立的3 MPa阈值压力和立方关系的传播时间模型，为现场施工参数优化提供了理论依据。特别是对超临界态转化位置（3.22 ms完成）的精确预测，有助于指导井筒-裂缝系统的相态调控。这些发现不仅完善了CO₂压裂理论框架，也为CCUS（碳捕集利用与封存）技术中的热-流-固耦合问题研究开辟了新思路。