水压致裂是低渗透油气开采过程中的核心技术之一,低渗透岩石在地应力和注水压力的共同作用会形成压裂裂缝,提高岩层的渗透性。储层岩体水力压裂增透的效果主要取决于是否能够形成足够发育和相互连通的裂缝网络,这与储层岩体的地层应力、岩性、和孔隙结构等因素密切相关。砂岩作为一种重要非常规储层岩石,是有多期岩石颗粒堆叠而成,具有岩相变化快、岩石结构成熟度和成份成熟度低的特点,经常会有清晰非均质矿物颗粒分布,岩层本身呈现极强的非均质性。在水力压裂改造的过程中,裂缝的起裂扩展不仅受到地应力和注入压力的影响,还受到非均质颗粒的影响,造成压裂裂缝存在多缝起裂现象,并且裂缝在扩展的过程中可能会出现扭转、分叉等复杂机理,最终呈形态复杂的空间缝网分布和扩展模式。基于现有理论设计的水力压裂方法常常难以达到预期效果、采收率低、资源浪费较严重。因此,准确认识和探明地应力与岩石非均质性共同作用下岩层压裂裂缝的形成机理、展布模式和影响因素是低渗透储层水力压裂开采设计、储层改造和提高抽采率的基础与核心科学问题。然而,现场探测受到现有技术的限制,难度大、成本高,有很高的局限性。人们难以直观获知和准确描述岩层压裂裂缝的发育机理、扩展规律、空间展布特征以及地质环境的影响,岩层实际压裂效果缺乏科学准确的评判。因此,通过实验室研究,揭示砂砾岩水压致裂机理对于准确定量地评判水力压裂效果、有效地实施水力压裂技术、提高非常规油气资源的采收率、降低开采成本具有重要的科学意义和工程应用价值。针对以上问题,本文利用实验室物理实验和数值模拟的方法研究了水平应力比和材料非均质性共同作用下三维裂缝网络的空间展布形态。揭示了砂砾岩水压致裂的起裂和扩展机理。物理实验研究中,由于天然岩心非常珍贵,且数量有限,因此本文中测试了天然砂砾岩岩心的物理力学性质,和颗粒结构空间分布特征。制作人工物理模型。通过真三轴水力压裂实验、CT扫描实验、图像三维重构等方法,直观展示了压裂裂缝的三维空间形态,探讨不同水平地应力比和模型非均质性共同作用下,压裂裂缝的展布规律,同时引入分形表征的方法,对复杂的压裂裂缝网络在三维空间上的复杂程度进行了定量描述,建立起压裂裂缝的复杂程度和地应力比之间的关系。并且基于断裂力学准则和有限元模拟的方法对压裂裂缝的扩展方向进行了判断,揭示了非均质介质中压裂裂缝的起裂和扩展机理。但是,通过物理实验的研究,虽然获得了压裂完成后最终的缝网展布形态,但是依靠现有的实验研究手段很难捕捉压裂裂缝完整的扩展过程。因此,以人工物理模型为参考,重构得了具有相同非均质结构分布特征的数值模型,并通过MIMICS软件对数值模型进行网格划分和属性分类。然后基于cdem算法,针对实验中设计的水平应力比设置应力边界条件,进行了水力压裂的数值模拟研究,展示了非均质模型中裂缝的起裂和扩展过程。得到了压裂裂缝起裂和扩展的过程。最后,为了更加直观的展示压裂裂缝的空间展布形态,为揭示砂砾岩水压致裂机理提供实验依据,本文开展了透明材料的压裂实验。这种实验方法的主要有两个优点:一是利用透明材料本身的透光特性,可以直观的展示压裂裂缝的空间形态,摆脱了对于实验设备精度的依赖和繁琐的数据图像处理;二是可以最大程度上保证材料的均质性,排除孔隙、天然裂隙、缺陷等因素的干扰,更有利于集中讨论本文关心的主要因素对于裂缝起裂扩展的影响。但是,传统的透明试件的材料和制作方式,如本文中使用的pmma试件无法将非均质颗粒引入到模型。因此,本文借助3d打印技术,制作带有非均质结构的透明模型进行水力压裂实验,实现了压裂裂缝的三维可视化。综合上述研究,本文揭示了地应力和非均质颗粒共同作用下的砂砾岩水压致裂机理,得到了以下主要成果:(1)岩石的非均质性和水平应力比都对压裂裂缝的起裂和扩展有着重要的影响。水平应力比1:1.7是出现复杂裂缝网络的临界值。当水平应力比小于1:1.7时,会出现复杂的裂缝扩展模式。随机分布的颗粒对裂缝的起裂和扩展产生了重要的影响。一旦水平应力比超过1:1.7,则会出现平行于最大水平主应力的单一裂缝形态,地应力差是压裂裂缝扩展的主导因素。三维分形算法表征了三维裂缝网络的复杂程度。其随水平应力比的变化趋势体现了当水平力比超过1:1.5后,裂缝复杂程度逐渐降低的现象。(2)通过断裂力学的理论和有限元的方法对于近井筒处和起裂裂缝尖端的应力场进行了定量的分析,揭示了岩石的非均质性以及水平地应力差影响压裂裂缝的起裂和扩展的机理。结果表明,局部应力场是影响裂缝分叉弯转的决定性因素。而局部应力场受到材料本身非均质性的影响很大。实验中得到的裂缝形态符合理论分析的结果。(3)数值模拟得到的压裂裂缝的起裂和扩展过程显示非均质颗粒裂缝的起裂具有重要的影响。裂缝会沿井筒周围多个位置起裂。而在裂缝向前扩展时,这些微裂缝会发生汇聚,形成一条主裂缝向前扩展。由于材料的非均质性,在裂缝在扩展过程中受到的局部阻力会有所不同,导致了最终向前扩展的裂缝在体积上存在很大的差异性。而在裂缝的扩展阶段,地应力差则会起到主导作用。当水平应力比小于1:1.7时,多裂缝的扩展模式,也得到了实验结果的验证。(4)透明3d打印模型的压裂实验直观展示了非均质介质中压裂裂缝的空间形态。当砾石颗粒强度较低时,压裂裂缝多会穿过非均质颗粒向前扩展。但裂缝在软硬介质中扩展的过程中,也易于出现裂缝分叉的现象。这为认识非均质砂砾岩水压致裂裂缝在三维空间中的分布特征提供了详实的实验数据。本文的研究中主要有以下的创新点:(1)在岩石水压致裂机理的研究中同时考虑了材料的非均质性和地应力差的影响,阐述了裂缝的最终展布模式是两种因素共同作用的结果,给出了水平应力比主导裂缝扩展的临界值,并提出了压裂缝网的三维分形表征方法;(2)利用有限元和离散元结合的算法,考虑了模型真实的非均质结构,开展了水力压裂的模拟研究。(3)将3D技术在模型制作上的优势引入到水力压裂裂缝起裂扩展机理的研究当中,实现了非均质结构中压裂裂缝的直观可视化;