我国页岩气资源丰富,高效开发页岩气可缓解国内天然气供不应求的问题。超临界CO₂强化页岩气开发是一种无水压裂技术,不仅可避免常规水力压裂带来的一系列问题,还能利用CO₂/CH₄竞争吸附提高页岩气采收率,实现CO₂地质封存。CO₂注入页岩储层后,页岩对CO₂和CH₄吸附特性的变化是影响页岩气回收和CO₂封存的关键因素。研究证实,超临界CO₂与水-岩体系相互作用会溶解页岩有机质和矿物质,改变页岩微观孔隙结构,影响页岩对CO₂和CH₄的吸附行为,但目前缺乏对超临界CO₂-水-岩作用下不同沉积相页岩微观孔隙及吸附特性的系统研究。为此,本文以不同海相和陆相页岩为研究对象,通过开展试验和理论研究,取得了以下研究成果: (1)海相和陆相页岩矿物组成存在显著差异,其中海相页岩有机碳含量相对较高,而陆相页岩无机碳含量略高于海相页岩;超临界CO₂-水-岩作用后,海相和陆相页岩有机质和矿物质发生了不同程度的变化,其中海相页岩有机质和石英含量减少、黏土矿物和碳酸盐含量增多,而陆相页岩有机质含量增多、碳酸盐矿物含量减少;超临界CO₂-水-岩作用后,页岩样品中的Mg-O、Al-O、CO₃^2-和Si-O键的含量增多,而O-H键含量减少。 (2)超临界CO₂-水-岩作用后,海相和陆相页岩微孔和介孔孔隙出现不同程度的变化,其中海相页岩微孔和介孔段的TSSA、TPV呈现减小趋势,而陆相页岩微孔段呈现增大趋势。不同沉积相页岩微孔段的分形维数(D_micro)均增大,而介孔段分形维数(D₁和D₂)在海相和陆相页岩中表现出相反的变化趋势。超临界CO₂-水-页岩相互作用过程中,高压气体、水岩作用和化学溶解均会对页岩微观孔隙结构产生影响,其中化学溶解是导致页岩微观孔隙发生变化的主要因素。 (3)海相页岩对CO₂和CH₄的吸附量明显高于陆相页岩,且所有页岩对CO₂的吸附量均高于CH₄;超临界CO₂-水-岩作用后,海相和陆相页岩对CO₂和CH₄的吸附量均呈现不同程度的变化趋势;根据微孔填充和单分子层吸附理论,建立了DR-L混合式吸附模型,提出了考虑页岩微孔和宏-介孔的CO₂/CH₄选择性吸附系数评价方法,结果表明页岩宏-介孔对CO₂的吸附优势大于微孔;超临界CO₂-水-岩作用后,海相和陆相页岩对CO₂和CH₄的选择性吸附系数均出现减小趋势,其中有机质、黏土矿物和微观孔隙结构的变化是导致不同沉积相页岩CO₂/CH₄选择性吸附系数发生变化的主要原因。 论文研究成果可为我国页岩气高效开发和CO₂地质封存提供支撑。