超临界二氧化碳压裂是一种新型的无水压裂技术,和水力压裂相比,超临界二氧化碳压裂具有降低储层污染、压后返排彻底等诸多优点。超临界二氧化碳压裂技术最早应用在北美地区的致密砂岩储层开采中,现场生产数据也证明超临界二氧化碳压裂对致密砂岩储层的增产改造效果非常显著。之前关于超临界二氧化碳压裂的研究,主要是针对现场个别压裂案例进行分析、或者开展相对简单的数值模拟研究,没有考虑超临界二氧化碳流体对储层岩石力学性质的改变以及超临界二氧化碳相态变化对裂缝扩展的影响。本文以超临界二氧化碳压裂技术为研究对象,探讨了超临界二氧化碳对致密砂岩力学性质的影响规律、超临界二氧化碳压裂裂缝扩展特征和超临界二氧化碳压裂过程中支撑剂的运移规律,主要完成以下工作:(1)超临界二氧化碳对致密砂岩力学性质的影响规律基于高温高压三轴岩石力学测试系统,自行设计了超临界二氧化碳生成装置,开展了高温高压条件下超临界二氧化碳对致密砂岩力学性质影响的相关实验,分别研究了超临界二氧化碳流体、围压、温度、孔隙压力四个因素对致密砂岩力学性质的影响规律。实验结果表明:超临界二氧化碳能够降低致密砂岩的抗压强度、显著提高致密砂岩的脆性;在超临界二氧化碳饱和条件下,升高温度、增大围压和孔隙压力时,脆性指数呈现逐渐减小的趋势;升高温度、增大围压和减小孔隙压力时,抗压强度、残余强度及杨氏模量整体上均呈现逐渐增大的趋势。(2)超临界二氧化碳压裂裂缝扩展特征结合超临界二氧化碳在储层条件下的相态变化规律,考虑超临界二氧化碳对致密砂岩力学性质的影响规律,建立并求解了超临界二氧化碳压裂裂缝扩展模型,获得了描述超临界二氧化碳压裂能量耗散类型的关键无量纲参数。发现了与超临界二氧化碳相态变化和对致密砂岩力学性质影响相比,超临界二氧化碳的粘度和滤失系数是影响其裂缝扩展显著区别于水力压裂的主要原因。当致密砂岩储层渗透性极小时,超临界二氧化碳粘度对裂缝扩展起主导作用,与水力压裂相比,超临界二氧化碳压裂时,裂缝扩展长度更长、宽度更窄、井底净压力更低;当致密砂岩储层渗透性略有提高时,超临界二氧化碳粘度和滤失系数同时对裂缝扩展起主导作用,与水力压裂相比,超临界二氧化碳压裂时,裂缝扩展长度更短、宽度更窄、井底净压力更低。(3)超临界二氧化碳压裂过程中支撑剂的运移规律考虑了随着支撑剂浓度的增大,超临界二氧化碳在裂缝内部流动从层流转变为达西渗流的流动特征,建立了能够描述支撑剂水平方向运移和垂向沉降的支撑剂运移模型,研究了支撑剂间歇性注入时支撑剂在裂缝内的运移规律,发现了储层杨氏模量、超临界二氧化碳注入排量、超临界二氧化碳粘度等参数会显著影响支撑剂的运移及分布。同时发现了支撑剂浓度分布的阻尼波形特征,获得了能够用统一无量纲形式描述其阻尼波形的特征长度,能够帮助压裂工程师认识不同施工设计条件下支撑剂在裂缝内部的运移和分布情况,为现场压裂过程中支撑剂的相关设计提供简便。