在我国天然气供给形势日趋严峻的背景下,致密砂岩气因其分布广泛、储量丰富等优点,已成为我国非常规天然气开发的重点,然而由于其低孔、特低渗特征,使得致密砂岩气井必须采取增产、增注的工艺措施才能获得理想的产能。因此,掌握水平井压裂裂缝的延伸规律,揭示压裂裂缝的形成机理,对实现致密砂岩气藏的商业化开发具有重要意义。本文采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的手段,对致密砂岩气藏压裂裂缝的形成机理及延伸规律问题进行了研究,得到了以下主要结论:(1)采用X射线衍射技术、电镜扫描技术和气测法分析了致密砂岩的矿物组分、孔隙结构特征和渗透特征,结果表明:致密砂岩的矿物组分主要为石英、钠长石、钾长石和粘土矿物,且石英含量和粘土矿物含量变化幅值较大;致密砂岩均质性强,完整性好,无明显裂隙发育;致密砂岩储层的孔隙度平均值约为2.59%,渗透率平均值约为0.07mD,主要为低孔、特低渗储层和特低孔、特低渗储层。(2)通过致密砂岩的单轴及三轴压缩、巴西劈裂和三点弯曲试验,分析了不同层位致密砂岩的力学特性和破裂特征,并初步探讨了水对致密砂岩力学性质的影响,结果表明:埋藏深度对同一层位垂直取芯致密砂岩试样的抗压强度和弹性模量具有显著影响,而对水平取芯试样的抗压强度和弹性模量影响较小;随着饱水系数逐渐增大,致密砂岩的抗拉强度和断裂韧度呈先快速减小,后逐渐趋于稳定的规律;单轴压缩下,致密砂岩的破裂模式主要为张拉破裂、单斜面或共轭斜面剪切破裂以及混合破裂,而三轴压缩下,其破裂模式仅为剪切破坏。(3)通过室内水力压裂物理模拟试验,分析了致密砂岩压裂裂缝的起裂与延伸规律,初步揭示了压裂裂缝的形成机理,探讨了影响压裂裂缝空间形态的主控因素,结果表明:致密砂岩压裂裂缝的起裂模式主要为沿完整围岩起裂、沿软弱面起裂、沿层理微裂隙起裂以及沿天然裂隙起裂。致密砂岩水压致裂后主要形成单一、单翼的裂缝,较少形成交叉网络裂缝。压裂裂缝沿完整围岩起裂时,易形成单一、单翼的弧形裂缝,而沿软弱面或层理微裂隙起裂时,易形成单一、单翼的平面形裂缝;压裂裂缝沟通软弱面后,易形成“L”或“T”型交叉网络裂缝;岩石性质是控制压裂裂缝起裂与延伸的主要因素,排量仅影响破裂压力的大小,压裂液仅影响滤失效应的强弱。(4)建立了水平井分段压裂裂缝诱导应力场计算模型,获得了裂缝长度和分段间距对诱导应力场的影响规律,优化了水平井分段压裂的裂缝长度和分段间距,结果表明:随着距井壁距离的增加,水平最小地应力方向的诱导应力呈近似线性迅速降低;随着距压裂裂缝距离的增加,水平最小地应力方向的诱导应力呈非线性迅速降低。不同裂缝长度下,随压裂裂缝长度逐渐增大,裂缝影响范围逐渐增大,诱导应力差值的降低速率逐渐减小,诱导应力差值在距裂缝长度距离后可忽略不计;在不同分段间距下,随分段间距逐渐增大,诱导应力差值迅速减小;当分段间距在50~100m之间时,有利于形成复杂网络裂缝。