页岩气是一种储量巨大的非常规天然气,已在世界范围内掀起了勘探开发的热潮。党的“十九大”以来,扎实推进绿色低碳能源产业,保证经济健康可持续发展已成为我国的发展战略之一。作为一种清洁能源,页岩气对我国能源结构调整和能源安全具有至关重要的意义。页岩气储层具有低孔低渗、连通性差、层理发育、物理力学性质各向异性明显等地质特点。近些年来,以形成复杂裂缝网络为目标的“体积压裂”已成为页岩气藏开发的核心技术之一。水力裂缝是沟通储层与井筒的“桥梁”,也是评价储层改造的重要指标,其形态特征及扩展路径直接决定了压裂井的开发效果。然而,随着勘探开发工作逐渐向深部页岩储层进行,因储层改造效果不佳而造成的气体采收率降低问题日益突出。因此,掌握水力裂缝的起裂和延伸规律,揭示复杂裂缝的形成机理对于页岩气储层改造至关重要。本文以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,开展水力压裂物理模拟和数值模拟研究,探索水力裂缝的形态特征,并从地质和工程两个因素揭示页岩储层中复杂裂缝网络的形成机制。本文共分为六个章节,主要内容如下:第一章:首先概述了页岩气的储层地质特征和勘探开发历程,进而引出本文的研究目的和意义。随后对国内外相关发展研究现状及其存在的问题进行论述,最后阐述了本文主要研究内容、技术路线及创新点。第二章:重点对龙马溪组页岩物理力学性质的各向异性特征进行了论述。本章针对具有不同取芯角度的柱状页岩试样先后开展了X射线衍射(X-ray Diffraction,简称XRD)实验、场发射扫描电镜(Field Emission Scanning Electron Microscope,简称FE-SEM)观测实验、原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)观测实验、波速测试实验和单轴压缩实验,并基于实验结果探讨了龙马溪组页岩在矿物组分、微观孔隙结构特征、声波特性以及单轴抗压强度、杨氏模量、泊松比等方面的各向异性特征。最后分析了页岩试样在单轴压缩破坏中的能量转化形式,并基于能量耗散原理进一步探讨了页岩的破坏模式。第三章:本章主要对龙马溪组页岩射孔水平井水力压裂物理模拟实验的过程与结果进行了论述。基于尺寸为300 mm×300 mm×300mm的页岩露头试样,综合水力裂缝面上示踪染剂的分布、泵压-时间曲线以及声发射定位结果,探讨具有不同射孔类型的页岩试样的水力裂缝形态特征。第四章:重点讨论了射孔类型和压裂液泵注排量这两大工程参数对水力裂缝形态的影响。首先,对水力压裂物理模拟实验中的裂缝形态评价方法——“SRA”法进行了改进。提出了实验尺度下表征水力裂缝复杂程度的系数C。探讨了水力压裂物理模拟实验中定向射孔、螺旋射孔、定面射孔以及组合射孔压裂的造缝机理。在泵注排量方面,分别讨论了定排量和阶梯排量作用下水力裂缝的扩展模式,并基于能量耗散原理论述了阶梯排量压裂扩大裂缝规模的机制。第五章:结合物理模拟实验和扩展有限元法数值模拟结果,阐述了不同条件下天然结构面与水力裂缝之间的相互作用关系,以及微观孔隙结构、地应力差异系数、脆性指数等储层地质因素,与水力裂缝扩展路径之间的关系。第六章:总结论文研究的结论,并阐述文中存在的不足与今后的研究方向。通过上述研究,本文得到了以下结论:(1)页岩的物理力学性质因与层理面夹角的不同而呈现出明显差异。对于不同取芯角度α的页岩圆柱试样,随着α的增加,页岩试样的单轴抗压强度和泊松比呈现出先减小后增大的U形各向异性模式;弹性模量、横纵波速则呈现出递减的趋势,微观孔隙结构的发育程度随之增加。单轴压缩破坏下,页岩的主要能量耗散形式为裂缝表面能和剪切滑移产生的塑性势能。(2)射孔是页岩水力裂缝形态的主要决定因素之一,不同射孔类型压裂的水力裂缝形态差异明显。组合射孔压裂对于复杂裂缝网络的形成具有促进作用;定向射孔压裂易形成平直的裂缝,复杂程度相对较低;螺旋射孔和定面射孔压裂有形成复杂裂缝网络的潜力,但失效射孔会显著影响裂缝规模。(3)大排量是页岩储层中形成复杂裂缝的保证。相比于定排量压裂,阶梯排量压裂往往能进一步扩大裂缝规模。随着泵注排量的增加,压裂液向裂缝面做功。当裂缝面附近岩石累积了一定的弹性应变能之后,新的起裂点将会产生。因此在排量增加过程中,泵注设备条件允许范围内应尽可能地提高排量增幅。(4)水力压裂物理模拟实验中观察到了6种水力裂缝与天然结构面之间的相互作用关系:(1)水力裂缝穿透并张开天然结构面;(2)水力裂缝穿透但未张开天然结构面;(3)分叉;(4)衍生;(5)“捕获”转向;(6)“诱导”转向,这些作用模式是形成复杂裂缝形态的基础。压裂液会在水力裂缝扩展过程中进入裂缝面附近的微裂缝和微孔隙当中并使其宽度增加。较大的地应力差异系数会促使水力裂缝穿透天然结构面,从而使裂缝规模进一步扩展大。脆性指数高的页岩试样造缝能力更强,裂缝迂曲度较小。通过泵压-时间曲线可初步预测水力裂缝的形态。