我国页岩气储层具有大面积连续成藏、孔隙度低、渗透性极低、黏土含量高、埋藏较深的特点,而水力压裂页岩会产生水敏膨胀、水资源消耗大、压裂缝网形成不够复杂等问题,制约了页岩气的大规模勘探开发。超临界二氧化碳无水压裂技术是解决上述问题的可行技术方案之一:一方面,超临界二氧化碳具有的低粘和高扩散性可以更易渗透进页岩等致密储层,可以构造复杂缝网,实现页岩气采收率的提高;另一方面,采用利用储层埋存二氧化碳气体,有利于大规模二氧化碳利用与减排。超临界二氧化碳喷射压裂是超临界二氧化碳先进压裂技术之一,兼具水力喷射压裂和超临界二氧化碳体积压裂的优点,能够以更低的破裂压力构造复杂裂缝网络,同时在环空区域形成低压负压环,减少了封隔器的使用,有效保护了页岩储层。但是,超临界二氧化碳喷射压裂过程中的流场结构及变化、射孔增压致裂机理以及压裂增强机理尚不明确,制约了超临界二氧化碳压裂技术的发展和应用。本文针对超临界二氧化碳喷射压裂研究中存在的上述问题,以延长石油陆相页岩气示范区页岩气井为背景,研究了超临界二氧化碳喷射压裂的流场特性和喷射压裂机理,并探索提出了多次循环喷射压裂增强技术原理,取得了如下成果:(1)建立了超临界二氧化碳喷射压裂室内实验力学模型,推导了其总应变计算公式。基于陆相页岩气井的喷射压裂施工实例,采用相似准则计算得到室内实验模型尺寸。通过构建的应变响应模型,采用应变叠加原理推导得到了超临界二氧化碳喷射压裂过程中的试样总应变表达式。基于超临界二氧化碳喷射压裂的应变监测原理,可以采用应变响应曲线直接分析喷射压裂过程的裂纹起裂与扩展,并监测其增压致裂过程。(2)研究了超临界二氧化碳喷射压裂流场特性及试样应变响应规律。采用自主研制的喷射压裂可视化实验系统进行喷射压裂流场高速摄影,并研究流场诱导的应变响应。发现喷射压裂流场同时存在射流冲击区和射孔内增压区,孔内射流长度与尾部脱涡呈周期变化,并导致孔内动态增压。应变响应曲线也表明喷射压裂同时存在冲击应变、增压应变,低围压喷射压裂的频率主要为高频成分,而高围压喷射压裂中的频率主要为低频成分。喷射压裂工艺参数(例如喷射压力、围压、喷距、喷嘴直径)、压裂介质和射孔尺寸对流场的射流长度、孔外回流以及应变幅值均会产生影响,需要在压裂前综合考虑。喷射压裂流场会先后在射孔根部、射孔壁面以及射孔顶部诱导产生裂纹,其裂纹扩展时间短至100ms~700ms。(3)采用人工均质砂岩、天然页岩研究了工艺参数对超临界二氧化碳喷射压裂的影响,揭示了超临界二氧化碳喷射压裂机理及其压裂增强机制。实施了人工砂岩、页岩和有机玻璃的喷射压裂试验研究,系统研究了喷射压裂工艺、岩样劣化作用以及页岩层理的影响。研究结合应变响应、岩样CT扫描、表面裂纹形貌、岩样损失质量、二氧化碳吸收量、页岩微观形貌损伤以及页岩成分的变化,从宏观和微观两个角度分析了喷射压裂机理,发现孔内增压、温降效应、脉动增压、射孔损伤以及层理对喷射压裂的增强机制。(4)基于超临界二氧化碳喷射压裂中压裂增强机制的研究,提出了多次循环喷射压裂增强技术原理。根据单次喷射压裂后试样存在的残余应变、微裂纹、射孔损伤,本文提出了采用多次循环喷射压裂来增强压裂的新思路。对比分析了多次循环喷射压裂的应变变化、试样裂缝网络扩展规律,研究了工艺参数对裂缝网络复杂性和二氧化碳吸收量的影响。基于压裂结果分析,提出了一种新的适用于超临界二氧化碳喷射压裂裂纹曲折度参数评价指标,并验证了其有效性和先进性。本文研究成果系统完善和认识了超临界二氧化碳喷射压裂的流场及其增压致裂机理,为超临界二氧化碳压裂增强理论与技术提升提供了参考,有利于促进超临界二氧化碳强化页岩气开发基础的延伸与拓展。