压裂技术的发展与应用极大地提高了全球煤层气的产量。我国拥有丰富的煤层气资源,但煤层气资源主要分布在水资源缺乏地区,水力压裂增渗的方法受到一定限制。由于超临界CO₂具有高密度、低黏度和较高扩散系数等特性,超临界CO₂压裂相对于水力压裂,不仅节约水资源、无污染、压裂液返排彻底,又具有起裂压力低、裂纹复杂等优点,可用于非常规油气资源开采。对于深部碎软储层,煤层直接压裂的增渗效果不好,可采用顶板向煤层射孔、定向压裂的方式。当超临界CO₂注入深部地层时,超临界CO₂会与煤体与岩石发生物理化学反应,从而改变煤与岩石的成分含量、微观结构、物理力学性质与渗透性,这将会引起一系列工程问题:压裂增渗效果、起裂压力变化与CO₂深部地质封存的可行性。目前,关于超临界CO₂作用不同时间后岩石的力学特性与渗透性研究较少。因此,本文通过一系列室内试验系统研究超临界CO₂作用不同时间对坚硬砂岩的力学特性与渗透性影响规律,为超临界CO₂开采深部煤层气提供理论支撑。本文以大同塔山煤矿3-5#煤层顶板坚硬砂岩为研究对象,采用大体积高压反应釜进行超临界CO₂对坚硬砂岩的浸泡试验(温度为40℃、压强为10 MPa),采用单轴压缩试验、巴西劈裂试验、变角剪切试验与渗透率试验进行了超临界CO₂浸泡0、15、30、60天后坚硬砂岩的力学特性与渗透性测试,分析了超临界CO₂对坚硬砂岩物理力学性质及渗透率的作用规律及机理。在单轴压缩试验过程中,利用声发射监测技术分析了不同时间后砂岩裂缝的萌生、扩展和破坏过程。主要结论如下:(1)在温度为40℃,压力为10 MPa的条件下,超临界CO₂作用0、15、30、60天后砂岩的单轴抗压强度与弹性模量单调降低,泊松比逐渐变大。作用60天后,单轴抗压强度与弹性模量分别降低至原始状态的51.1%与78.1%,泊松比增加至原始状态的144.1%。随着作用时间的增加,单轴抗压强度近似呈线性下降趋势,弹性模量与泊松比变化幅度逐渐减小。(2)不同作用时间下,砂岩的应力-应变曲线都具有四个阶段:孔裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、破坏阶段。原始砂岩的应力达到峰值强度时,砂岩瞬间发生破坏,降低至残余强度。随着作用时间的增加,砂岩达到峰值强度后仍然具有一定的承载力,由脆性逐渐向延性发展。(3)单轴压缩试验声发射数据表明:随着作用时间的增加,单轴压缩实验中裂纹萌生(弹性阶段与塑性阶段的分界点)发生在更小的应变。原始状态砂岩裂纹萌生与破坏时释放出巨大能量,伴随较大声音。随作用时间的增加,其裂纹萌生时释放的能量减小。(4)随着作用时间的增加,坚硬砂岩的抗拉强度逐渐降低,由作用0天的8.62 MPa,降低至作用60天的6.05 MPa,抗拉强度近似呈负指数降低趋势。(5)通过对作用不同时间后砂岩试样进行45°、50°与55°的剪切试验,作用60天后砂岩的内聚力与内摩擦角分别降低了21.8%与13.9%。由于砂岩中的黏土矿物会吸附超临界CO₂,降低矿物颗粒之间的内聚力;超临界CO₂会溶解长石与黏土矿物,使得内摩擦角减小。(6)作用不同时间后砂岩的渗透率均随有效应力的增大而减小,作用0、15与30天的试样渗透率差别不大,而作用60天比作用短时间试样的渗透率增加12.0%。说明超临界CO₂作用短时间内,并不能影响其孔隙率,在作用60天后则有一定影响。