随着基础地质理论和勘探开发技术取得突破,以致密砂岩气(TSG)、页岩气(TG)以及煤层气(CBM)共生为主要特征的煤系气的勘探与开发成为了非常规天然气勘探开发领域的研究热点。目前,煤系气开采的主要方法为水力压裂,但由于不同煤系储层物化力学特性的差异,水力裂缝在复合储层相邻层间界面处的扩展易出现钝化、“T”型扩展及偏转扩展的现象,达不到多储层合层压裂的目的,而高能气体压裂由于具有加载速率与峰值压力高以及瞬态冲击的特征,既能轻松压开地层,又能利用产生的脉冲高压扩大裂缝延伸规模,且在常规油气储层改造中已取得了良好的技术效果。鉴此,本文针对我国煤系储层渗透性差、多层系交互赋存、复合成藏的地质特征,及合层压裂过程中水力裂缝难以穿层的技术难题,提出了采用高能气体压裂的方法对煤系复合储层实施穿层压裂,以实现对煤系复合储层的合层压裂联合开采。采用理论分析的方法对复合储层高能气体压裂过程中所涉及到的火药爆燃加载、缝内气体流动、缝壁气体渗滤以及高能气体驱动裂缝起裂、穿层扩展过程进行了研究,并建立了相应的数学模型及其求解方法。基于建立的复合储层高能气体压裂数学模型及其求解方法,自行编制了模拟软件,并从火药爆燃压力等角度验证了模拟软件的可靠性;以鄂尔多斯盆地临兴区块石盒子组砂泥岩互层为研究对象,采用自行编制的模拟软件和ABAQUS模拟软件分别建立了高能气体压裂与水力压裂数值模型,模拟研究了层间地应力差、弹性模量、泊松比以及速率等因素对压裂裂缝穿层扩展的影响,并对比分析了二者间的差异;依据对复合储层高能气体压裂裂缝穿层扩展影响因素的研究,提出了压裂裂缝穿层扩展定向控制的方法。论文的主要工作及取得的主要结论如下:(1)采用岩石断裂力学的方法,综合考虑火药参数、射孔参数、井身结构参数、储层厚度、地层界面性质以及储隔地应力分布和岩石力学性质等因素对裂缝穿层扩展的影响,建立了复合储层高能气体压裂数学模型。该模型由火药爆燃加载模型、缝内气体流动模型、缝壁气体渗滤模型及裂缝穿层扩展模型四部分构成,可实现对复合储层高能气体压裂裂缝穿层扩展过程的动态模拟,可定量描述复合储层高能气体过程中任意时刻的裂缝形态。该模型弥补了采用以往高能气体压裂模型只能计算压裂裂缝在单一储层中的扩展形态,难以准确评价压裂裂缝穿层前后形态的差异,使得计算结果存在偏差较大的缺陷,可为高能气体压裂复合储层时裂缝扩展形态的确定与评价提供理论依据。(2)在分别对火药爆燃加载模型和裂缝穿层扩展模型求解的基础上,以各模型间的温度、压力传递关系为衔接条件,建立了复合储层高能气体压裂模型的求解方法,并据此自行编制了复合储层高能气体压裂模拟软件,同时从火药爆燃压力等角度验证了模拟软件的可靠性。该模拟软件由用户界面管理模块、基础数据输入模块和系统模型计算模块三部分构成,通过Visual Basic语言编制的迭代运算程序完成时间步长与压力、温度以及裂缝宽度和高度之间的循环迭代计算,实现对高能气体压裂复合储层时压裂裂缝穿层扩展过程的模拟。(3)在层间地应力差一定的条件下,高能气体压裂裂缝的扩展距离均高于水力压裂裂缝。当层间地应力差较小(Δσ≤7 MPa)时,高能气体压裂裂缝与水力压裂裂缝均穿过层间界面进入泥岩层;当层间地应力差较大(Δσ≥8 MPa)时,高能气体压裂裂缝穿过层间界面进入泥岩层,而水力压裂裂缝则沿层间界面扩展。随着层间地应力差的增大,高能气体压裂裂缝扩展距离呈指数规律减小,水力压裂裂缝扩展距离先减小后不变。(4)在泥岩层弹性模量一定时,高能气体压裂裂缝的扩展距离均高于水力压裂裂缝。当泥岩层弹性模量较小(E≤10 GPa)时,高能气体压裂裂缝穿过层间界面进入泥岩层,而水力压裂裂缝则沿层间界面扩展;当泥岩层弹性模量较大(E≥20 GPa)时,高能气体压裂裂缝与水力压裂裂缝均穿过层间界面进入泥岩层。随着泥岩层弹性模量的增大,高能气体压裂裂缝扩展距离呈线性规律增大,水力压裂裂缝扩展距离呈对数规律增大。(5)不同泥岩层泊松比下,高能气体压裂裂缝与水力压裂裂缝均穿过层间界面进入了泥岩层,且在泥岩层泊松比一定时,高能气体压裂裂缝的扩展距离均高于水力压裂裂缝。随着泥岩层泊松比的增大,高能气体压裂裂缝扩展距离呈线性规律增大,水力压裂裂缝扩展距离呈线性规律增大。(6)不同加载速率下,高能气体压裂裂缝均穿过层间界面进入泥岩层;当注液速率较小(q≤1 m~3/min)时,水力压裂裂缝尚未到达层间界面,随着注液速率的增大,水力压裂裂缝均穿过层间界面进入泥岩层。随着加载速率的增大,高能气体压裂裂缝扩展距离呈二次多项式规律先增大后减小;随着注液速率的增大,水力压裂裂缝扩展距离呈线性规律增大。(7)在对复合储层高能气体压裂控制因素研究的基础上,结合高能气体压裂技术能够达到裂缝穿层的目的以及带切割槽导向孔对储层局部地应力的具有改造作用的优点,提出了带切割槽圆形导向孔导向压裂方法。该方法利用带切槽导向孔对储层地应力分布的改造效果以及高能气体压裂的技术优势,通过合理的射孔、布孔、切槽、压裂等步骤使高能气体压裂裂缝起裂、穿层扩展能够按照预设或者工程要求方向扩展,达到定向增透煤系储层的目的。该方法较常规定向射孔高能气体压裂裂缝穿层扩展距离更远。