中国非常规油气资源潜力巨大,加快推进非常规油气的开采对缓解中国油气供需矛盾意义重大。致密气和致密油是中国目前重要的非常规油气资源,常规压裂难以取得经济效益,借鉴于页岩气的开发模式,体积压裂技术是目前致密油藏实现商业开发的首要技术。通过水力压裂技术沟通天然裂缝,形成复杂的裂缝网络,进一步增加水力改造效果。天然裂缝发育可以进一步增加波及面积,但是如果天然裂缝与主要的水力裂缝没有很好的连通,则对提高产量的贡献很小。因此,增加储层裂缝的连通性,是有效提高致密砂岩储层油气采收率的关键。由于储层中裂缝难以观测,裂缝沟通情况及水力压裂改造体积难以计算,裂缝连通性对压裂改造效果的影响需要进一步研究。针对松北致密砂岩储层天然裂缝描述及连通性难以描述,水力裂缝在复杂天然裂缝发育储层扩展机理认识不清等问题,本文结合文献调研、室内实验、理论模型建立与求解、数值模拟等多种方法,开展了松北致密砂岩储层裂缝连通性及压裂改造机理研究,具体研究工作如下:(1)开展了松北致密砂岩储层岩石物理性质测试实验,包括岩石力学参数测试实验、地应力测试实验、岩石脆性测试实验及天然裂缝发育特征分析。调研对比成功实施体积压裂技术的区块,评价松北致密砂岩储层A区块为中等弹性、中等硬度岩石,弹性模量、泊松比特征均与大牛地气田相似。地应力差异系数较低,脆性指数中等偏高,天然裂缝发育,具有形成复杂裂缝的地质特征。(2)基于弹性力学及断裂力学理论,分析了考虑井眼影响的裂缝扩展机理及近井区域应力分布,提出了裂缝尖端应力强度因子及裂缝宽度的半解析力学模型,推导了考虑共线天然裂缝影响的水力裂缝尖端应力强度因子及裂缝宽度的计算方法,并对岩石力学参数、地应力各向异性、注入压力等对裂缝扩展的影响进行了探讨,发现了共线天然裂缝的存在对水力裂缝的扩展具有促进作用。(3)结合分形理论及拓扑方法,应用蒙特卡罗模拟方法和概率分布函数,建立了天然裂缝网络模型及节点模型,并在此基础上分析了天然裂缝节点类型,天然裂缝连通性及其影响因素。天然裂缝分布的数量、发育程度受分形维数、组数和初始数量影响。天然裂缝连通性随分形维数的增大而增大,裂缝的组数及夹角对裂缝连通性影响明显。裂缝连通性的阈值受分形维数、裂缝初始数量和初始长度的控制。(4)基于最大主应力断裂准则,应用内聚力模型,建立了动态水力裂缝与天然裂缝相交模型,模拟水力裂缝与非连通型天然裂缝及X型节点的连通型天然裂缝相遇扩展过程,分析了天然裂缝角度、应力差、弹性模量及泊松比等对裂缝扩展形态及应力分布的影响。当水力裂缝与天然裂缝相交时,天然裂缝角度及应力差是影响裂缝形态的重要因素。(5)基于天然裂缝网络模型,通过全局嵌入内聚力单元的数值模拟方法,模拟存在天然裂缝储层中水力压裂动态扩展过程,开展裂缝性储层的水力压裂裂缝扩展规律研究及改造效果的影响因素分析。分析了储层中存在不同裂缝组,不同分形维数天然裂缝对水力裂缝扩展规律的影响。结果表明,当裂缝组和分形维数增加,裂缝连通性增加,裂缝扩展形态复杂。(6)通过水泥包裹天然岩心的实验岩样制备方法,开展松北致密砂岩储层A区块的全直径岩心真三轴水力压裂实验,分析天然裂缝、应力差等对裂缝形态及连通性的影响,并分析了实例井水力裂缝形态。当天然裂缝发育,应力差较低时,水力压裂易形成复杂裂缝时,水力裂缝沟通面积较大,连通性较强。上述研究成果深入揭示了松北致密砂岩储层的岩石力学性质、天然裂缝连通性影响因素及水力裂缝扩展规律,为松北致密砂岩储层的有效开发及进一步提高油气采收率提供了理论基础与技术支持。