超临界CO2 -水-页岩耦合作用下页岩脆性特征演化机制及其对储层改造与CO2 封存稳定性的影响

针对页岩储层压裂改造与CO2 封存稳定性难题，研究人员通过长期SC-CO2 -H2 O-页岩耦合实验，揭示了矿物溶解导致孔隙度增大、力学参数降低的弱化机制，发现BI1 -BI9 等脆性指标的差异化变化规律，证实围压可调控页岩脆-塑性转变。该研究为复合压裂优化与碳封存安全提供了理论支撑。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，页岩气开发与CO₂
地质封存技术的结合成为研究热点。然而，超临界CO₂
(SC-CO₂
)与页岩的长期相互作用会显著改变储层力学特性，既影响压裂效率又威胁封存安全性。现有研究对SC-CO₂
-H₂
O-页岩多场耦合机制的认知仍存在空白，特别是脆性特征的动态演化规律及其工程响应亟待阐明。

针对这一科学问题，中国某研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了创新性成果。研究以四川盆地龙马溪组海相页岩为对象，通过设计不同持续时间（最长90天）的SC-CO₂
-H₂
O-页岩耦合实验，结合X射线衍射、扫描电镜、三轴压缩测试等技术，系统分析了矿物组成、孔隙结构、力学参数及9种脆性指标(BI₁
-BI₉
)的演变规律。

矿物组成与微观结构
实验显示随着耦合时间延长，碳酸盐矿物含量下降11.3%，而石英和黏土矿物增加。电镜观测证实矿物溶解导致孔隙直径扩大47.6%，形成蜂窝状腐蚀形貌，孔隙连通性显著提升。

力学性能弱化机制
三轴测试数据表明：耦合作用使页岩黏聚力降低66.7%，内摩擦角减小14.5%；弹性模量下降23.8%时，轴向应变压缩段延长而弹性段缩短，泊松比增加31.2%。这种力学弱化主要归因于矿物溶解引发的结构损伤。

脆性指标分化现象
研究创新性地发现9类脆性指标的响应差异：表征钻探性能的BI₁
提升47.44%，而BI₂
降低66.85%；反映脆裂特性的BI₃
-BI₆
增幅达8.99%-45.10%，但评价压裂能力的BI₇
-BI₉
下降35.05%-46.67%。这种分化现象说明耦合作用会同步增强页岩局部脆性但削弱整体可压裂性。

围压调控效应
当围压从5MPa增至25MPa时，页岩破坏模式从脆性转向塑性，BI₄
降幅达61.29%。高围压通过抑制侧向应变（降幅43.1%）和提升轴向承载力，有效抵消了耦合作用的弱化效应。

该研究首次系统揭示了SC-CO₂
-H₂
O-页岩耦合作用的时变特性与围压调控规律：矿物溶解主导的微观结构改造是力学弱化的根本原因；脆性指标的分化响应为压裂参数优化提供了量化依据；围压的塑性化效应则成为保障CO₂
封存稳定的关键因素。这些发现不仅深化了对非常规储层多物理场耦合机制的理解，更为页岩气开发与碳封存协同技术提供了理论支撑。正如作者Yongdong Jiang团队强调的，未来需重点研究耦合作用对裂缝网络扩展的动态影响，以进一步完善工程实践方案。