302 / 2025-11-15 11:44:48

超临界CO2-水-岩作用下页岩断裂韧性演化机制：对页岩气开采和CO2地质封存的启示

页岩,超临界CO2,断裂韧性,矿物组分,裂隙面特征,能量吸收和释放

页岩断裂韧性是影响页岩气开采和CO2地质封存的关键因素。为研究模拟储层埋深（2000m）下超临界CO₂与水-岩体系相互作用对页岩断裂韧性的影响，采用半圆盘三点弯曲（SCB）试验及声发射实时监测系统，结合XRD、SEM/EDS、固-液接触角和三维激光扫描等试验，系统阐述了不同超临界CO2-水-岩作用时间（0、10、20、30、60天）下页岩断裂韧性变化规律及其影响机制。结果表明，超临界CO₂-水-岩作用后，页岩断裂韧性增大，且其增大幅度随作用时间延长而先增增大后逐渐趋于平衡。超临界CO₂-水-页岩体系矿物溶解及沉淀会导致其内部微裂隙产生桥联增韧效应，超临界CO₂-水-岩作用后页岩表面能和裂隙面复杂程度增大会导致其内部裂纹扩展所需临界应力和摩擦阻力增大，这些变化会促使页岩在断裂过程中需要吸收和释放更多的能量，进而导致其断裂韧性增大。超临界CO2注入后页岩断裂韧性的变化一方面会导致压裂裂隙在页岩储层中的扩展难度增大，这不利于页岩储层形成复杂裂缝网络，另一方面也会增强CO2封存体系的稳定性，这对CO2长期稳定封存是有利的。研究成果可为我国页岩气高效开采和CO2地质封存提供支撑。