随着页岩气开采的不断深入,传统水力压裂技术面临水资源消耗、储层伤害及环境污染等瓶颈问题。超临界二氧化碳(SC-CO₂)作为一种强化页岩开采的无水压裂技术,不仅可以避免水力压裂技术所带来劣势,还有着封存CO₂和促进页岩气回收等优势。黔北复杂构造区地质条件复杂却有着巨大的页岩气开采潜力。鉴于此,本文以黔北地区五峰-龙马溪组海相页岩为研究对象,结合物理试验与理论推导,研究了页岩的储层物性在SC-CO₂作用下的变化规律与SC-CO₂致裂页岩的裂缝扩展机理。主要结论如下: (1)SC-CO₂作用下的页岩矿物组分与孔隙结构均会发生改变。SC-CO₂作用下,石英及其他矿物在页岩中的含量占比因黏土与碳酸盐组分的溶蚀作用而呈现显著提升,黏土矿物与碳酸盐矿物的含量百分比会减少;页岩与SC-CO₂反应会增大页岩的孔隙连通性,在SC-CO₂的作用下,层理页岩的微孔、介孔和宏孔的孔隙度最终都会增大。微孔、介孔与宏孔的分形维数均有复杂的变化过程,页岩的整体分形维数主要由孔隙发育程度较高的单一孔径主导,完整孔隙体系的孔隙结构共同控制着孔隙分形维数值的大小。 (2)SC-CO₂处理前后,页岩对CH₄、CO₂及其混合气体的绝对吸附量均高于过剩吸附量;SC-CO₂处理后,页岩矿物组分与孔隙结构的改变共同影响了页岩的吸附能力,导致页岩对所有测试气体的吸附量减小,吸附能力明显减弱;利用E-L模型和LAST-L模型对多组分气体数据进行拟合,拟合效果较好;对于不同比例的混合气体,S_CO2/CH4随着吸附压力的增大呈现先降低后升高的趋势,S_CO2/CH4与混合气体中的CH₄比例呈正相关关系。SC-CO₂处理后页岩的S_CO2/CH4相对于处理前均减小;对于SC-CO₂处理前后的页岩,随着CO₂注入时间的增加,其对应的吸附态CH₄的T₂峰的面积不断减小,游离态CH₄的T₂峰的面积不断增大。 (3)SC-CO₂作用下,页岩的抗拉强度和劈裂模量会减小。对于不同角度层理页岩,力学性能会发生明显的劣化,当层理角度为0°与90°时,页岩表现出以拉伸裂缝为主的破坏模式,当层理角度为30°、45°与60°时,页岩表现出以拉剪裂缝为主的破坏模式;SC-CO₂致裂页岩的起裂压力理论值与试验值较为吻合,页岩的起裂和破裂压力随水平应力差的增大而减小;SC-CO₂压裂页岩的过程中,裂缝在起裂、扩展和破裂阶段声发射特征十分明显。在真三轴受力条件下,页岩的裂缝主要随最大主应力方向起裂和扩展,在横向主裂缝上形成的次生裂缝与交叉裂缝具有一定的随机性,并且起裂与扩展方向受层理方向与原生裂缝的影响;页岩的裂缝在不同阶段的破裂与声发射累计撞击数在阶梯式跳跃次数相互对应;SC-CO₂压裂页岩的过程中,水平主应力差为控制裂缝起裂压力与破裂压力的主要因素,但在实际的SC-CO₂压裂过程中,页岩的压裂效果还需考虑除上述因素外,SC-CO₂本身特性与页岩自身储层物性的影响。