近日，学院敖翔副教授在能源领域国际高水平期刊煤炭学报（高质量期刊T1级别）发表题为《深层页岩超临界CO₂前置压裂裂缝扩展机制》的研究论文。

深部页岩在高温高应力下力学性质向延塑性转变，使复杂裂缝网络形成困难。尽管超临界CO₂（下文统一简称为SC-CO₂）压裂有望通过CO₂相态变化促进复杂缝网，但并未定量表征相变产生的能量对裂缝扩展的影响。

本文基于G准则推导弹−塑性剪切模式下的临界能量释放率，结合相场法、流−固耦合原理、Drucker-Prager屈服准则，建立能描述SC-CO₂相变的弹−塑性压裂裂缝扩展的相场演化模型。

研究揭示了CO₂的压缩性和高扩散性对裂缝扩展的影响机制：在裂缝扩展过程中，CO₂因压缩积累的能量得以释放促使自身发生相变，而相变释放的能量又为裂缝扩展提供了额外驱动能，推动裂缝持续延伸。同时，CO₂的高扩散性导致页岩孔隙压力升高，一方面降低有效应力和破裂压力，另一方面降低拉伸临界失效能，从而诱发裂缝分叉，形成更复杂的裂缝网络。此外，研究表明，随着地层埋深增加（围压升高），相变驱动能对裂缝扩展的贡献率由34.55%显著下降至1.78%。本工作构建的相场模型不仅从理论上解释了SC-CO₂压裂相较于水力压裂更易形成复杂缝网的根本原因(相变供能、高扩散性促分叉)，并可直接应用于工程尺度的压裂模拟计算。

论文链接：https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.CQ25.0890

图1 相变能量对裂缝扩展过程的影响结果

图2 压裂过程孔隙压力分布和破裂压力曲线

图3 不同围压条件下的裂缝扩展形态

图4 不同围压下CO₂体积模量和相变能量占比