大庆油田外围已累计探明低、特低渗透储量,目前动用程度尚不足40%,开发此类经济边际储量油藏的关键技术是水力压裂,通过该技术有效改善井底附近的渗流条件,提高油井产能。由于传统冻胶压裂具有成本高、二次伤害大等缺点,达不到预期的压裂改造效果,近年来出现了自支撑压裂技术,利用用在清水中加入降阻剂、活性剂、防膨剂或线性胶作为压裂工作液来进行压裂作业,在部分储层取得了较好的应用效果,但并不是所有低渗透地层都适合,一些井压裂施工失败或见效甚微。由于自支撑压裂工艺技术的特殊性,压裂过程中裂缝的起裂、延伸和闭合机理与常规加砂压裂有较大的区别,深入的认识自支撑压裂机理,建立相应的储层筛选方法,是促进自支撑压裂推广应用的前提。基于该问题,本文开展了以下工作。(1)对大庆外围古708-68-70、朝103和杏11-51-丙242等井低渗透储层开展了三轴应力、巴西劈裂和断裂韧性实验,获得了岩石弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、断裂韧性等力学指标,并绘制了莫尔强度包络线,计算了内聚力和内摩擦角。(2)运用古地磁实验、差应变实验、声发射实验和矿场水力压裂实验,综合评价了古龙南等大庆外围低渗透储层的地应力大小和方向。(3)建立了自支撑压裂应力-渗流场耦合数学模型和裂缝起裂、扩展判别准则,并利用有限元方法,模拟了自支撑压裂的裂缝起裂、转向和扩展过程。清水压裂自支撑裂缝同时存在拉伸和剪切两种断裂形态,裂缝转向角和滑移距离由储层非均质性、地应力偏差及裂缝方向与主应力夹角等因素共同影响,缝网的形成主要受到天然裂缝系统和地应力差值控制。(4)揭示了自支撑压裂泄压返排过程中自支撑裂缝闭合机制。利用分形插值方法,构建了自支撑压裂裂缝壁面,并引入数值模拟,获得了返排闭合过程中不同粗糙度的自支撑裂缝壁面在啮合和错动状态下的接触应力云图、应变云图和闭合残留宽度,确定了自支撑压裂自支撑裂缝残余裂缝宽度形成机理。(5)建立了自支撑裂缝导流能力测试及储层筛选方法。通过对岩石试样劈裂、错动,制备符合自支撑压裂自支撑裂缝闭合形态的试件,建立了自支撑裂缝导流能力的测试方法,并以增产倍数和无因次导流能力为评价指标,建立了自支撑压裂储层筛选方法和评价标准。上述研究成果深入揭示了大庆外围低渗透储层的基本物理力学特性、地应力特性、自支撑压裂裂缝的扩展机制、闭合机制、导流特性及储层筛选方法,为自支撑压裂推广应用,提供了技术支撑。