1.1研究背景

近年来，全球气温持续上升，极端的气候变化给人类造成了许多深重灾难。经过科学家们长期研究，最终证明：人类活动产生的温室气体是造成一系列反常现象的幕后元凶！国际能源署(IEA)于2015年6月发布的报告称，2014年全球二氧化碳排放总量为322亿吨，与上年持平，尽管这是40年来首次出现未增长的现象，但减排形势依旧不容乐观。

随着全球经济的飞速发展和现阶段的科技水平，还不足以消除人类对煤炭、石油等化石燃料的高度依赖，未来的工业生产和人类生活所消耗的大量化石能源必将增加更多的二氧化碳排放量，由此产生的温室效应也必将进一步威胁地球环境。为此，世界各国政府和国际组织投入了大量的人力和资金开展二氧化碳减排的相关研究。其中，利用超临界二氧化碳开发油气藏^[1]的理论因其“变废为宝，一举多得”的强势卖点而备受关注。

页岩气是从页岩层中开采出来的天然气，是一种重要的非常规油气藏资源。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产气页岩分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。页岩气发育具有广泛的地质意义，存在于几乎所有的盆地中，只是由于埋藏深度、含气饱和度等差别较大分别具有不同的工业价值。

超临界二氧化碳具有接近于气体的低黏度和高扩散系数，又具有接近于液体的高密度，这些性质引起了国内外石油行业的广泛关注，并将其引入油气藏开发。研究结果显示，超临界二氧化碳非常适合应用在非常规油气藏的开采作业中。我国的非常规油气藏储量丰富，但采收率普遍较低，将超临界二氧化碳引入非常规油气藏的开发很有必要。通过研究超临界二氧化碳在非常规油气藏开采中的钻井、压裂、驱油及除垢洗井^[2~5]等作业过程中的技术原理和特点，结果表明，超临界二氧化碳弥补了水基钻井液或压裂液的不足，提高了效率，减少了污染，适用性好，因此得到越来越多油气藏研究者的关注。利用超临界二氧化碳射流破岩，压裂，置换页岩气成为页岩气开采的一个新的热门方向。本文利用计算流体动力学软件FLUENT^[6]建立SCO₂射流冲击破岩数值模拟的模型，分析SCO₂射流在不同围压、工作压力及靶距条件下的冲击压力。为使用SCO₂破岩的工程应用提供理论依据。

1.2国内外的研究现状

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^[7]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为：①超临界二氧化碳射流冲击岩石形成初始破碎坑；②超临界二氧化碳渗透楔入岩石内部使微观损伤继续扩展；③准静态压力作用引起宏观体积性破碎；石立红^[8]通过CO₂在页岩储层中的性能研究，结合CO₂与CH₄在页岩中的吸附解吸行为和CO₂开采页岩气的数值模拟研究结果，确定利用超临界CO₂开采页岩气的可行性。通过CO₂在页岩气井中的安全风险评价，结合CO₂对页岩气井井筒及地面设施的腐蚀及防护实验，研究CO₂开采页岩气过程中的安全性，揭示超临界CO₂开采页岩气的可行性和安全性，为我国页岩气藏开发方案和安全保证提供一定的理论基础和技术支持；陈钰婷^[9]以四川盆地志留系龙马溪组页岩为研究样本，,从页岩矿物组成及微观结构方面分析了超临界二氧化碳对页岩力学特性的作用机制，揭示了页岩力学性质随超临界二氧化碳浸泡时间的演化规律。通过超临界二氧化碳浸泡前后页岩单轴压缩下的声发射试验,分析了超临界二氧化碳对页岩声发射特征的影响规律；罗亚煌^[10]利用超临界CO₂处理系统、压汞仪、元素分析仪、扫描电镜、磁悬浮天平高压气体等温吸附/解吸仪、页岩气解吸实验系统，实验与理论研究了不同作用时间、不同作用温度、不同作用压力的超临界CO₂处理前后页岩微观结构特征。页岩对甲烷的吸附/解吸特性。探讨了SC-CO₂改变页岩微观结构的机理。页岩吸附、解吸甲烷模型。

从近日召开的国家重点基础研发计划（973计划)“超临界二氧化碳强化页岩气高效开发基础”阶段成果总结暨研讨会上获悉，中国科学家利用超临界二氧化碳高效开发陆相页岩气，把二氧化碳压入地下封存，同时把页岩气采上来，一举多得。该项目于2013年10月由国家科技部正式立项，武汉大学、重庆大学、陕西延长石油(集团)有限责任公司等9家单位共同承担。据项目首席科学家李晓红院士介绍，项目研究人员通过超临界二氧化碳破岩、压裂增渗、置换页岩气机理等方面的基础研究与关键技术攻关，形成超临界二氧化碳强化页岩气高效开发理论体系和技术方法。具体技术是将液态二氧化碳注入页岩气井下，当温度和压力处于31.1℃、7.38兆帕以上时，二氧化碳就处于超临界态，此时它既有气体的低黏度、超强的流动性和渗透性，又有液体的高密度。页岩对二氧化碳的吸附能力是吸附页岩气的4—20倍，超临界二氧化碳能将井下的页岩气挤出。2017年6月，项目组在陕西延长石油—延2011井进行了中国首次页岩气超临界二氧化碳压裂现场试验，并取得圆满成功。这标志着中国在自主探索陆相页岩气高效开发方面取得了重要的理论和技术突破。

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，由贺振国^[11~13]等人对超临界二氧化碳磨料射流流场与射孔特性研究，结果表明：超临界二氧化碳磨料射流可在页岩、铝块等靶件上有效冲蚀成孔，直观验证了超临界二氧化碳磨料射流的可行性与射孔有效性；研究围压对超临界二氧化碳射流冲击力与冲蚀射孔的影响，结果表明：喷射压力恒定，,射流冲击力和射孔深度均随围压增大而显著减小,，二氧化碳临界压力处变化明显；喷射压差恒定时，随着围压的增大，射流冲击力几乎不发生变化。而射孔深度先较稳定或轻微增长然后明显减小，在临界压力时达到最大；研究超临界二氧化碳射流中的颗粒跟随及影响因素，结果表明：与相同条件下在水与压裂液射流中相比，磨料颗粒在超临界二氧化碳射流中运动规律相似，但初始滑脱速度较大，跟随能力较弱，获得的喷射速度与撞击靶件壁面速度较高，表明超临界二氧化碳具有良好的颗粒携带能力；流体温度升高，磨料粒径增大均会使颗粒滑脱速度增大，削弱跟随运动效率，但同时也降低了喷嘴外流场中颗粒所受运动阻力，显著提高了喷射速度与撞击壁面速度。本文拟利用计算流体动力学分析软件FLUENT对超临界二氧化碳射流破岩进行数值模拟，分析SCO₂射流在不同围压、工作压力及靶距条件下的冲击压力，为使用SCO₂破岩的工程应用提供理论依据。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容