超临界CO2压裂容易使储层形成复杂裂缝网络，同时流体中不含水，不会引起储层黏土膨胀；此外，超临界CO2压裂后返排迅速，可大大缩短油气井的非生产时间，提高经济效益；同时CO2吸附性强，能够在置换页岩中吸附的甲烷分子提高产量和采收率的同时，实现CO2的埋存。因此，超临界CO2压裂技术被认为是一种具有广阔应用前景的新型无水压裂技术。
１.１超临界CO2压裂技术的起源CO2在常温常压下是无色无味的气体，性质稳定，无燃爆性，易被液化，易于回收循环利用，是一种环境友好的“绿色流体”。虽然液态CO2在油气勘探开发中的应用已有３０多年的历史，但超临界CO2流体的压裂特性和优势近十几年才被发现和关注。
当温度达到３１.３℃、压力超过７.３９CO2ＭＰａ时，CO2流体便处于超临界状态。超临界CO2流体既不同于液体，也不同于气体，具有许多独特的物理化学性质。超临界CO2的密度接近于液体，黏度接近于气体，而且扩散系数较高、表面张力接近于零，具有很强的渗透能力以及良好的传热、传质性能，并且在油藏条件下很容易达到CO2的临界条件。
超临界CO2与岩石之间的相互作用会对岩石的力学特性、矿物组成、孔渗特性等岩石物性产生影响。研究表明，CO2在页岩上的吸附能力远大于ＣＨ４，而这种吸附效应会对页岩的单轴抗压强度和杨氏模量造成损伤。这是由于CO2相较于ＣＨ４具有更高的等量吸附热、更大的表面势能和Ｇｉｂｂｓ自由能，使CO2在页岩表面吸附的自发性和相互作用力均高于ＣＨ４，进而使页岩产生非均质性吸附膨胀，导致页岩的力学性质被劣化。同时，超临界态的CO2具有更强的吸附能力，会使这种劣化作用更明显。此外，对于超临界CO2溶蚀效应引起的页岩微观结构的变化，超临界CO2良好的溶解能力会使处理后的页岩内部有机质和矿物成分（如蒙脱石、高岭石和方解石）出现不同程度减少，孔隙的比表面积降低，从而形成了新的孔隙结构并使原有孔隙尺寸增加。
页岩经超临界CO2处理后表面形貌发生了明显的变化，页岩原生孔隙受到溶蚀，部分矿物质被溶解。同时，经过超临界CO2处理后，页岩与水的接触角增大，降低了页岩的表面张力，从而减少水在其中的流动阻力，在微孔隙处不易形成水塞，有利于油气的采出。超临界CO2的溶蚀效应一方面有利于页岩中ＣＨ４渗流特性的改善，同时也会对页岩的吸附性能、气体的流动机制产生影响，这些变化在进行产能预测及CO2封存潜力评估时应予以考虑。目前该方面研究大多停留在对岩石表面特性变化的检测研究，对岩石深部特性的变化报道较少。
（１）超临界CO2的低黏特性。模拟实验表明，超临界CO2的黏度远低于水基流体，且表面张力接近于零，其渗透性远高于水基流体。在压裂过程中，相比于水基压裂液，超临界CO2更容易穿透岩石中互不连通的微孔隙，将流体压力传递到岩石深部，在井筒周围形成高孔隙压力区。孔隙内压力的增加会引起井筒周围有效应力的降低，并降低岩石的强度，使岩石更易起裂，诱发微裂缝。因此超临界CO2压裂的起裂压力明显低于液态CO2压裂和常规水力压裂，这在数值模拟和室内实验中均得到了验证。
（２）超临界CO2与水基流体在热物理性质上的差异。在压裂过程中，作用在岩石上的高压超临界CO2流体在岩石起裂时进入裂缝的瞬间，由于焦耳－汤姆逊效应会使流体温度发生骤降而产生温差，而在水基流体中几乎不会出现这种现象。这种温度的变化会引起超临界CO2流体相态的变化，从而获得较高的裂缝扩展速度并促进形成复杂缝网。同时，在岩石起裂的瞬时低压期间，如果裂缝的热量能迅速扩散到低温流体中，则在裂缝产生的热应力能够显著增加岩石的损伤破坏，这种作用会促使附加裂缝的扩展进而形成复杂的裂缝网络。
由于压裂过程中超临界CO2的物性参数对温度压力变化敏感，流体流动与传热复杂，还存在滤失、吸附与解吸、多相流动、化学反应等多方面的复杂影响，使得目前针对超临界CO2压裂起裂的研究主要是对实验现象的描述，而缺乏对内在机制的研究。
超临界CO2压裂技术可以从以下方向取得突破：①提高携砂能力方面，现阶段可以研制新型环保增黏剂，未来随着纳米纤维技术的发展，在超短纤维增黏方面将取得突破，实现超临界CO2物理增黏；同时开发超低密度支撑剂，相应的提高支撑剂的悬浮能力；②降低摩阻方面，可以结合增黏剂的研制，开发适合于超临界CO2的降阻剂，此外，也可以通过提高流体流动截面积的方式降低流动阻力，如增大井筒直径，从钻井设计之初就考虑后续超临界CO2压裂完井方式；③压裂起裂和裂缝扩展机理方面，需要采用扩展有限元、边界元或更高级的模拟方法，追踪裂缝起裂和扩展过程中的多场耦合作用，辅以实验手段，深入认识和揭示裂缝起裂和扩展机理；④地面和井下专用设备工具方面，在常规水力压裂技术基础上，结合超临界CO2流体特性，通过数值模拟和实验测试等手段，研制大排量、大混砂能力、耐高压的地面泵组、大功率地面循环冷却装置等，低温地层压裂条件下应用的地面加热系统，以及配套专用井下装置。
