综述：超临界CO2压裂下页岩多尺度结构响应与裂缝扩展的当前认识与未来展望

《Geoenergy Science and Engineering》：Coupled multiscale structural responses and fracture propagation in shale under SCCO 2 fracturing: Current understanding and future perspectives

　　本综述系统探讨了超临界二氧化碳（SCCO2）作为绿色压裂液在页岩气开发中的应用潜力。文章聚焦SCCO2与页岩相互作用引发的微观孔隙结构演化、细观裂缝扩展行为及宏观力学性能变化等多尺度耦合机制，评述了相关实验平台与数值模拟方法，并指出当前在真实条件模拟、跨尺度耦合机制捕捉等方面存在的技术挑战，为优化SCCO2压裂技术提供了理论参考。

　　

多尺度结构特征

页岩作为一种非均质的非常规储层岩石，具有复杂的孔隙-裂缝结构，其尺度范围很广，与常规储层存在显著差异。其内部结构包括纳米级有机孔隙、纳米到微米级的无机孔隙以及微米到毫米级的天然裂缝系统。此外，页岩由多种矿物成分组成，并表现出明显的垂直分层性。

微观结构变化

页岩储层的矿物组成高度多样和复杂，主要包括粘土矿物（如蒙脱石、伊利石和高岭石）、碳酸盐矿物（如方解石和白云石）、硅酸盐矿物（如石英和长石）以及少量有机质。在SCCO₂压裂过程中，弱酸性的CO₂与地层水反应形成弱酸性碳酸（H₂CO₃），从而引发一系列矿物溶解和沉淀反应。这些反应显著改变了页岩的微观孔隙结构，包括增大孔隙尺寸、改善孔隙连通性以及诱导微裂缝萌生。这些微观结构的改变直接影响着储层的渗透性和力学性质，进而控制着裂缝的起裂和扩展路径。

实验研究方法

实验研究是评估SCCO₂压裂过程中页岩多尺度结构响应和演化特征最直观、最有效的途径之一。为了在实验室模拟SCCO₂压裂，需要一套完整的实验系统。该系统通常在传统水力压裂设备的基础上，增加冷却、加热和加压模块，以促进CO₂的相变和控制。实验过程中，首先将CO₂冷却液化，然后通过高压泵加压使其进入超临界状态。常用的实验表征技术包括高压三轴压裂系统、扫描电子显微镜（SEM）、X射线计算机断层扫描（CT）和声发射（AE）监测等，用于捕捉SCCO₂处理下孔隙-裂缝系统的演化。然而，实验研究往往受到模拟边界条件限制、与原位环境差异以及分辨率限制的约束，因此在工程应用中需要进一步验证。

技术挑战

当前研究面临多项技术挑战。微观尺度研究深度不足：SCCO₂与页岩矿物的相互作用诱导了孔隙溶解、新孔隙形成和微裂纹发育，显著改变了渗透性和力学性质，从而影响裂缝的起裂和扩展。然而，我们对这些微观过程的理解仍然有限，特别是在处理多矿物组成和复杂孔隙网络结构时。此外，有机质在SCCO₂作用下的变化及其对力学响应的影响尚不明确。实验条件与真实环境存在差距：实验室难以完全复现地下储层的高温高压、地应力状态和长期作用时间，导致实验结果与现场观测存在偏差。数值模拟的精度与适用性有待提升：尽管数值模拟在预测流体流动、应力分布和裂缝扩展行为方面取得了显著进展，但当前模型在参数标定、结构重构和边界条件表征方面仍面临挑战，难以准确捕捉跨尺度的耦合机制。

结论

SCCO₂以其低粘度、高扩散性和相变特性，已成为页岩油气开发中一种有前景的绿色、无水压裂液。本综述系统考察了SCCO₂压裂诱导的多尺度结构演化，包括微观孔隙溶解、微裂纹萌生、细观裂缝扩展和宏观力学响应，强调了多尺度协同效应在决定压裂效率方面的关键作用。尽管SCCO₂压裂技术展现出巨大潜力，但在真实条件模拟、跨尺度机制理解和数值模型精度等方面仍存在挑战。未来的研究需要致力于开发更接近真实环境的实验方法、构建更精确的跨尺度数值模型，并深入揭示SCCO₂-页岩-应力耦合作用机理，以推动该技术的优化和现场应用。