用CO₂驱替页岩气以提高页岩气采收(CO₂-EGR)是碳捕获、利用与封存研究的重要方向之一。目前国内外页岩储层CO₂-EGR研究还处于起步阶段,且主要侧重于数值模拟研究或场地尺度的注入试验研究,而对页岩注气以及储层流体流动的实验模拟研究较少,CO₂-EGR的内在微观作用机理还有待揭示。论文选取我国南方四川盆地及周缘的三套海相页岩(龙马溪组、五峰组和牛蹄塘组)为研究对象,基于系统的野外地质调查和实验测试分析,精细解剖了研究区海相页岩储层发育特征;进一步设计并开展了基于低场核磁共振弛豫谱分析技术的模拟实验,揭示了页岩储层注CO₂后气体的流动机理,对研究区页岩储层的CO₂-EGR进行了初步评价,取得的主要成果有:系统对比了四川盆地及周缘三套海相页岩的岩石学、岩石物理与地球化学特征。研究发现:三套页岩有机质热演化程度均较高,具有高成熟度的特征,页岩成岩演化过程中,蒙脱石伊利石化过程较彻底,处于有序伊蒙混层末期;三套页岩中,牛蹄塘组的总有机碳含量(TOC)及镜质组反射率(R_o)最大,但孔隙度、渗透率、脆性指数和含气量最低;龙马溪组和五峰组页岩中含气组分均以甲烷为主,而牛蹄塘组页岩气组分表现为低甲烷、高CO₂和高N₂的特点。基于典型井分析,精细解剖三套海相页岩沉积及层序特征,系统解剖了龙马溪组和牛蹄塘组页岩的储层特性差异及其沉积学控制机理。龙马溪组页岩垂向上可分为两个三级沉积旋回(底部SQ1及顶部SQ2),垂向非均质性较强。其中SQ1段的渗透率、孔隙度、脆性指数、TOC及R_o等指标均优于SQ2段,而且SQ1段孔隙度与渗透率的相关性好于SQ2段,反应出SQ1段页岩内部孔隙之间较好的连通关系。研究认为,SQ1段中下部为垂向上“甜点段”,其生烃潜力较大,孔隙度、渗透率和脆性指数较大。牛蹄塘组页岩沉积是发生在严格缺氧(还原条件)的深水环境,沉积时期海底水动力条件较弱,其沉积物源主要来自于大陆边缘和海水中悬浮物质。牛蹄塘组页岩沉积作用大部分发生在正常的海水环境,不过个别区域受到了海底热液作用的影响。基于低场核磁共振横向弛豫谱,页岩中吸附态甲烷与孔隙中自由态甲烷可分别由P1峰(T₂<1 ms)和P2峰(T₂=¹-50 ms)定量表征,由此实现了对CO₂置换甲烷这一过程的实时、动态监测。研究表明,CO₂不仅可以提高页岩中吸附态甲烷的整体采收率,还能够提高吸附态甲烷的解吸速率。不同页岩中CO₂-EGR效率差别较大,从16.2%至34.3%均有分布,平均为23.5%。页岩储层特征中,高TOC含量、高甲烷吸附能力、低渗透率、低黏土矿物等特点更适用CO₂-EGR技术,能得到较高的CO₂-EGR效率,而石英矿物含量、孔隙度及有机质成熟度对CO₂-EGR效率影响不大。