水力压裂技术是非常规油气和地热资源开发利用的核心技术,通过在目标储层注入高压压裂液,从而产生人造裂缝并沟通天然裂缝进行储层体积改造,增加目标储层的导流能力达到增产的目的。影响水力压裂技术实施效果的关键性因素是水力裂缝在储层中的起裂特性、扩展路径及扩展过程中裂缝的长度与宽度等。针对预制中心裂缝矩形试样和含井筒单射孔水力压裂模型,基于最小应变能密度因子和最大周向应变断裂准则研究了地应力、注水压力、非奇异项Tx应力、比奥系数、泊松比、水压系数、井筒及射孔参数等因素对水力裂缝起裂角和临界水压的影响规律;然后利用岩石强度准则提出了确定水力裂缝产生拉伸和剪切破坏优先级的判断方法;之后将周向应变断裂准则和裂缝扩展增量法相结合,研究了不同因素对水力裂缝扩展路径的影响;最后针对储层性质对水力裂缝扩展长度与宽度的影响进行了数值模拟研究。具体研究工作和相关结论如下:(1)通过引入非奇异项Tx应力对最小应变能密度因子断裂准则进行修正,并将其应用到水力裂缝起裂特性问题的研究上。利用上述断裂准则对经典断裂力学裂缝问题及水力裂缝起裂角和临界水压的研究表明,该准则不仅能够研究材料泊松比的影响,同时能够获得与实验结果更加一致的理论解。进一步对含预制中心裂缝矩形试样的研究表明,随着侧压系数的增加,临界起裂角呈逐渐增大的趋势,比奥系数的变化对临界起裂角没有影响。临界水压随着侧压系数的增加逐渐增大,而比奥系数对临界水压的影响则相反。对比奥系数的研究表明,较低的压裂液黏度和注入速率能够使水力裂缝在较小注水压力条件下沿着最优方向扩展从而获得最佳压裂效果。(2)针对含井筒单射孔水力压裂模型,首先提出了复杂荷载作用下任意射孔倾角裂缝尖端Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的理论计算公式;然后利用最大周向应变断裂准则研究了地应力、泊松比、射孔和井筒尺寸等因素对水力裂缝起裂角和临界水压的影响。研究表明在不同侧压系数条件下存在一个临界射孔倾角值,当射孔倾角小于该临界值时,临界水压随着侧压系数的增加而逐渐降低;当射孔倾角大于该临界值时,临界水压则呈现相反变化趋势。同时井筒半径和射孔长度是影响水力裂缝起裂特性的重要因素,临界水压随着射孔长度和井筒半径的增大呈现逐渐降低的变化趋势;随着射孔长度的增加,临界起裂角呈逐渐增大的趋势,而井筒半径对临界起裂角的影响则与射孔长度有关。随着泊松比的增大,临界水压逐渐升高而临界起裂角则逐渐减小,但是在高水压条件下泊松比对起裂角没有影响。(3)利用权函数法和数值计算法给出了含井筒对称双射孔模型在复杂荷载作用下裂缝尖端Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子理论公式。然后将最大周向应变断裂准则与裂缝扩展增量法相结合,研究了不同条件下水力裂缝的扩展路径。研究表明在较大侧向压力和泊松比条件下,水力裂缝向水平大主应力方向的偏转程度较强;较短的射孔长度和较小的射孔倾角组合可以起到减轻水力裂缝扭曲现象的作用。敏感性分析表明射孔倾角是影响水力裂缝扩展路径的关键因素。非奇异项Tx应力对张开型裂缝的扩展路径没有影响;裂缝起裂角的正负由Ⅱ型应力强度因子值的正负决定;在压缩荷载作用下,利用考虑裂缝尖端非奇异应力项的断裂准则可以得到光滑的裂缝扩展路径,克服了传统研究所得到的“锯齿状”扩展路径的缺点。(4)基于岩石强度准则提出了裂缝端部破坏发生类型与位置的判断方法,同时给出了能够准确分析裂缝端部应力场的应力路径。裂缝端部的最大剪应力值随着内摩擦角的增大呈逐渐降低的变化趋势,说明内摩擦角越大则发生剪切破坏就需要较大的外荷载;虽然内摩擦角对剪切破坏的产生位置没有影响,但是其对拉伸破坏或剪切破坏的产生优先级有显著影响。随着内摩擦角的增加,发生剪切破坏的裂缝倾角范围逐渐减小而发生拉伸破坏的倾角范围逐渐增大。在高注水压力条件下,将优先产生拉伸破坏;而随着侧压系数增加,拉伸破坏受到抑制而优先发生剪切破坏;此外随着岩石凝聚力升高或拉伸强度降低,发生拉伸破坏的可能性增强。(5)通过数值模拟方法研究了储层性质对水力裂缝扩展长度与宽度的影响。研究表明两侧低或高弹性模量区域均起到降低裂缝扩展宽度而促进裂缝扩展长度的作用;两侧高泊松比区域对水力裂缝扩展宽度也起到限制作用,但是对裂缝扩展长度和破裂压力的影响并不显著。同时当水力裂缝在低-中-高弹性模量或泊松比区域中扩展时,在高弹性模量和高泊松比区域的扩展速度较快。水力裂缝优先向低抗拉强度区域扩展,当水力裂缝由低向高抗拉强度区域扩展时,随着两侧区域抗拉强度的增加呈现“短而宽”的几何特征。较高的储层渗透率导致水力裂缝附近孔隙压力的增加,裂缝起裂所需的外荷载减小,因此水力裂缝优先向渗透性较高的区域扩展。