非常规能源在开发过程中涉及压裂，二氧化碳（CO₂）压裂不仅可以强化页岩气开采效果，还能够就地封存CO₂和实现开采过程的碳中和，是一种具有发展前景的页岩气开采技术。本文通过物理模拟实验、理论分析以及数值模拟实验等方法，明确了CO₂ 压裂破裂压力和裂缝扩展形态的影响因素，分析了裂缝扩展时空演变规律，系统地研究了页岩CO₂ 压裂裂缝扩展规律。本文的研究方法和结论可供后续探究页岩等非常规储层CO₂ 压裂裂缝扩展影响因素以及裂缝扩展机理作为参考。本文主要研究内容与结论如下：

（1）利用氦孔隙仪测量了页岩和砂岩的孔隙度；采用非稳态渗透率测定中的脉冲衰减方法，结合渗透率测量仪获得了页岩和砂岩的渗透率；利用压力试验机通过单轴抗压实验以及巴西劈裂实验，获得了页岩和砂岩的弹性模量、泊松比、抗压强度和抗拉强度。结果表明：相比于砂岩，页岩孔隙度和渗透率更低，抗拉强度更大，非均质性更强。

（2）基于CO₂ 压裂物理模拟实验系统，开展了不同注入速率、不同围压以及不同岩石性质下的CO₂ 压裂实验，分析了页岩CO₂ 压裂过程，研究了页岩CO₂ 压裂破裂压力规律。结果表明：当注入速率超过注入速率阈值后，随着注入速率的升高，页岩破裂压力、凝结相时间和达到破裂压力的时间降低；围压和岩石抗拉强度越大，破裂压力越高。基于实验结果，验证了两个经典的破裂压力公式H-W公式和H-F公式在预测CO₂ 压裂破裂压力中的适用性。

（3）对于页岩CO₂ 压裂裂缝扩展过程的数值模拟，引入了全局嵌入0厚度cohesive单元的有限元模拟方法，减少了压裂裂缝起裂和扩展数值模拟过程人为因素干扰。建立了页岩CO₂ 压裂裂缝扩展模型，研究了注入速率、射孔角度和天然裂缝对CO₂ 压裂裂缝扩展形态的影响规律。结果表明：随着CO₂注入速率升高，裂缝网络趋于复杂；射孔角度和天然裂缝显著影响裂缝走向。

（4）基于压裂实验中声发射信息，还原了CO₂ 压裂裂缝发育过程，结合声学、地震学以及信息论的相关理论，研究了压裂各阶段声发射事件率、b值、RA-AF值和时空熵值等参数的演变趋势，揭示了页岩CO₂ 压裂裂缝扩展规律。结果表明：CO₂ 压裂裂缝扩展过程主要分为三个阶段：阶段1：CO₂ 压缩冷凝阶段；阶段2：裂缝成核成团阶段；阶段3：裂缝的不稳定发展阶段。压裂过程中产生的主导裂缝类型变化为：张拉裂缝-混合裂缝-剪切裂缝，并且整体上剪切裂缝多于张拉裂缝。声发射空间和时间熵值在页岩达到断裂失稳前都会急剧下降。