页岩气藏CO₂压裂可以实现储层增产、提高页岩气采收率以及CO₂埋存三重目标,具有广阔的应用前景。CO₂压裂过程中,井筒内温度和压力的变化会直接影响CO₂的携砂能力和造缝性能,并最终影响储层改造效果。而另一方面,CO₂具有高可压缩性和高摩阻,其物性参数对温度、压力变化敏感,使得CO₂在井筒内的非等温流动过程十分复杂,目前尚缺少对水平井CO₂压裂井筒温度场的深入认识。因此,开展页岩气水平井CO₂压裂井筒温度场和压力分布研究,对优化压裂施工方案设计和预测增产效果具有十分重要的意义。本文通过CO₂物性参数计算模型和页岩热力学性质室内实验,研究了CO₂和页岩的物理性质,结合三相图分析了CO₂压裂过程的相态特征,在此基础上开展了页岩气水平井CO₂压裂井筒温度场研究。首先,通过Laplace方法建立了井筒温度场新型解析模型,克服了Hasan解析解无法适用于压裂过程的问题,通过与Hasan解析解和数值解的对比分析,证明本文提出的新型解析模型具有更高的准确性与优越性。但解析模型在CO₂压裂井筒温度场预测中具有一定的局限,为此,推导了考虑压力功和粘性耗散作用的井筒能量方程,与连续性方程、动量方程和物性模型耦合,并根据水平井筒流动特点对求解区域进行简化,建立了一维轴向非等温流动与一维径向非稳态传热相结合的页岩气水平井CO₂压裂1D+1D瞬态全耦合井筒温度场模型,采用全隐式有限差分方法对模型进行离散,利用MATLAB编制程序进行求解,通过收敛性检验、网格独立性检验、直井注CO₂驱替井筒实测温度压力数据、CO₂直井压裂实测井底温度数据以及商业软件水平非等温管流模拟数据等多方面对模型进行综合验证。其次,对CO₂压裂过程的壁传热、压力功和粘性耗散等井筒变温机理开展定量化研究,对比了不同注入工况下三种变温机理对井筒温度场变化的贡献大小,明确了CO₂压裂过程井筒变温机理与CO₂驱替、CO₂埋存和CO₂采热等慢速注入条件下井筒变温机理的区别。最后,应用1D+1D瞬态全耦合模型对页岩气水平井CO₂压裂过程中的施工参数、地层参数和井筒参数进行系统分析,并定量化表征各关键参数对CO₂压裂井筒温度场的影响规律。本文通过理论分析和数值模拟计算,揭示了页岩气水平井CO₂压裂过程井筒温度和压力的分布规律,研究成果对页岩气水平井CO₂压裂过程中井筒温度场和压力分布的预测,以及压裂方案优化设计具有重要的指导意义。