该研究针对二氧化碳相变压裂技术中多物理场耦合机制展开系统性探索，提出了首个整合流体相变、热力学传递和岩石力学响应的跨尺度相位场模型框架。通过构建包含能量守恒、质量守恒和力学平衡的耦合方程体系，实现了对超临界流体相变压裂过程中复杂裂缝扩展行为的精准刻画。研究创新性地将G准则与Vesovic模型相结合，突破了传统相场模型在非平衡多相流耦合方面的局限性，为非常规储层改造提供了新的理论工具。
在技术路径方面，研究团队构建了包含四个核心模块的数值模拟平台：①多相流耦合的相场本构模型，采用Vesovic方程组描述CO₂在液态、超临界态和气态间的相变特性，实现流体输运参数（如黏度、密度）的动态更新；②热力耦合的孔隙压力演化模型，建立温度场与应力场之间的耦合方程，量化热应力对岩石破裂的协同作用；③基于G-criterion的动态失稳判据，通过孔隙压力梯度与岩石强度的关联函数实现裂缝分叉的智能识别；④多尺度耦合算法，采用特征线法处理非稳态流动问题，结合有限元离散技术实现微米级孔隙结构到宏观裂缝网络的跨尺度映射。
模型验证阶段设计了三类对比实验：第一类采用控制变量法，在相同岩心尺寸（17cm×17cm×17cm）下对比水基压裂与CO₂相变压裂的裂缝网络形态差异，结果显示后者在主裂缝穿透岩层层理方面具有显著优势，次生裂缝密度增加42%-68%；第二类通过高速摄像技术捕捉裂缝分叉瞬态过程，发现CO₂相变压裂的裂缝扩展角较传统水力压裂增加15-22度，且分叉模式符合II型剪切裂纹特征；第三类引入动态加载装置，验证模型在应变率高达1200s⁻¹条件下的计算稳定性，误差控制在3.5%以内。
在工程应用层面，研究揭示了CO₂相变压裂的三重增效机制：首先，通过相变潜热的瞬间释放（BLEVE效应）产生10-15倍于常规水力压裂的瞬时压力冲击（达3.8MPa），有效克服岩层天然裂缝的封闭压力；其次，超临界流体（密度1.09g/cm³，黏度0.015mPa·s）的渗透特性使其能够深入基质孔隙（孔隙度12%-18%），形成纳米级孔隙通道，从而提升裂缝复杂度指数达2.3倍；最后，相变过程中的温度梯度（达200℃/cm）诱发岩石热膨胀系数差异（1.2×10⁻⁵℃⁻¹ vs 0.6×10⁻⁶℃⁻¹），在纵横向形成5-8℃/m的温度梯度场，为裂缝扩展提供持续驱动力。
数值模拟显示，当储层温度低于40℃时，CO₂相变压裂的主裂缝穿透深度可达传统水力压裂的2.1倍（28cm vs 13cm），但需注意温度阈值对相变模式的影响。在致密砂岩（杨氏模量65GPa，泊松比0.18）中，模型预测CO₂相变压裂的裂缝分叉频率（4.2次/km）较水力压裂（1.8次/km）提升133%，同时储层体积刺激率（Stimulated Reservoir Volume）达到58%-72%，较常规CO₂压裂提高27个百分点。
研究特别构建了岩石强度衰减的G-criterion修正模型，通过引入孔隙压力梯度与有效应力的动态平衡关系（Δσ=σ₀·exp(-γ·Δp)），成功量化了流体相变导致的岩石脆性转变过程。数值模拟显示，当孔隙压力梯度超过0.85MPa/m时，岩石强度衰减速率达常规值的3.2倍，这解释了为何CO₂相变压裂能在更低的注入压力（1.2MPa）下实现与水力压裂2.4MPa相近的裂缝扩展效果。
在工程参数优化方面，研究团队通过敏感性分析建立了多参数耦合效应模型：储层渗透率（k）每提升1mD，裂缝复杂度指数（CEI）增加0.38；岩石泊松比（v）在0.15-0.25区间时，裂缝分叉角度呈现最优分布（65°-78°）；当CO₂注入速率达到0.8m³/(min·井)时，相变产生的蒸汽泡（直径50-200μm）可有效清除岩屑桥塞，使压裂效率提升41%。
该研究对现场工程具有重要指导意义：建议在碳酸盐岩储层（脆性指数>65）中采用CO₂相变压裂技术，配合温度梯度场调控（维持45-55℃相变区间），可显著提升裂缝网络密度。对于致密储层（孔隙度<8%），需优化CO₂注入速率（0.5-1.2m³/(min·井)）和压裂液黏度（0.02-0.05mPa·s），以平衡相变能量释放与裂缝扩展速度的匹配关系。研究还发现当储层埋深超过3000m时，因高温高压环境抑制CO₂相变，此时建议采用预冷处理（将CO₂预冷至15℃以下）来维持相变效应。
该模型在工业岩心试验（尺寸2.5m×2.5m×2.5m）中取得验证，通过植入分布式光纤传感器（采样频率1kHz）实时监测裂缝分叉动态，发现模型预测的裂缝分叉数量（每米裂缝分叉3.2-4.8次）与实验数据（3.5±0.8次）吻合度达89%。特别在含裂缝性储层（天然裂缝密度120条/km²）中，模型成功预测了CO₂相变压裂诱导裂缝的协同效应，使主裂缝穿透岩层层理的能力提升2.3倍。
研究团队还构建了多物理场耦合的数值实验平台，采用ansys fluent（相变流场）、comsol（热传导）和abaqus（力学变形）的三场耦合算法，实现了计算效率与精度的平衡。通过开发自适应网格加密技术（局部网格细化比达400:1），成功捕捉到微米级孔隙通道（宽度50-200μm）的动态演化过程，为微观机理研究提供了可视化工具。
在环境效益方面，研究证实CO₂相变压裂的储层体积刺激率（Stimulated Reservoir Volume）每提升1%，可固定CO₂排放量达2300吨/百万立方米储层。通过优化相变压裂的裂缝网络形态，使得单位CO₂排放对应的储层改造体积（1.2m³/kg）较传统水力压裂（0.85m³/kg）降低40%，显著提升了碳封存效率。
该成果为碳中和背景下的能源开发提供了新思路，其技术路线已在鄂尔多斯盆地某致密油藏的CO₂-EOR（驱油-封存一体化）工程中应用。现场监测显示，采用相变压裂技术后储层渗透率从0.8mD提升至4.2mD，含油饱和度提高12.7个百分点，同时封存CO₂体积达85万立方米，实现了经济收益与碳减排的双重目标。该技术特别适用于埋深超过4000m的深层致密储层，通过相变压裂创造的多级裂缝网络（主裂缝长度达42m，次生裂缝密度达280条/km²）显著提升了CO₂封存效率。
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