根据国家能源战略要求,非常规油气藏,特别是页岩气藏的开发已势在必行。页岩气藏属于非连续气藏,水力压裂是其商业化开发的最重要技术之一。根据美国非常规油气开发的成功经验,储层有效改造体积的增大将大幅提高非常规油气产量。考虑到压裂诱导裂缝、天然裂缝及裂隙的网络沟通将极大提高储层有效改造体积,为此针对国内煤层气、页岩气和砂岩油气储层特殊物理/力学性质,开展非常规油气储层地应力分析及压裂缝网形成机理研究,提出非常规油气储层增产改造措施进而提高储非常规油气产能已成为国内油气开发亟待解决的关键问题之一。本文采用室内试验、现场测试数据分析、数值模拟计算和理论分析等方法对非常规油气储层岩石的力学特性、多裂缝储层压裂裂缝周围诱导应力场、水力压裂裂缝与天然裂缝/岩石节理相互干扰、分段压裂考虑缝间应力干扰的裂缝动态扩展和非常规油气储层产能预测等问题进行研究,明确不同工况下裂缝动态扩展的形态,针对不同岩性储层提出了对应的增产措施。具体研究工作和得到结论如下:(1)考虑到含水饱和度对页岩、砂岩和煤岩的力学特性影响较为显著,本文基于室内实验和现场测试数据相结合的方法对不同饱和度工况下页岩、砂岩和煤岩的抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角和粘聚力等力学参数进行研究,建立各类岩石动静态力学参数转换关系,获得低渗岩石力学参数实验评价方法。研究结果表明:页岩随着含水饱和度的增加,页岩试样强度和内聚力均降低,内聚力减小速度更显著,当饱和度增加到0.85时,饱和度的变化对页岩强度和内聚力的影响可以忽略不计;煤岩水化膨胀性极弱,含水饱和度的增加降低了裂隙之间的摩擦系数,导致煤岩强度随时间弱化,煤岩脆性特征变弱,延性特征增强,变形特征由弹脆性向弹塑性转变,弹脆塑性本构模型不再适合,当煤岩的含水量接近饱和时,煤岩抗压强度与含水量成对数关系。(2)对比了I型裂缝、II型裂缝和任意斜裂缝三种裂缝形状周围的诱导应力场、位移场的分布规律,得到裂缝尖端诱导应力影响范围,讨论了分段压裂相邻等长和不等长裂缝间的应力干扰。研究结果表明:最大主应力和最小主应力的影响范围均随着压裂簇数的增加而增加,且当分段压裂的段数小于4时,裂缝条数对最大/小主应力的应力干扰临界距离影响较为明显,当裂缝增加到5条时,曲线增长速率变缓,最大主应力要比最小主应力的影响范围要大。(3)考虑到非常规油气储层岩体结构及应力的不均匀性,且水力压裂裂缝的边界具有自相似特性,因此,采用分形理论结合离散元的方法对裂缝的动态扩展进行了研究。研究结果表明:距井壁距离小于0.5m时,井眼周围储层周向应力、剪应力以指数形式减小,当距井壁距离超过0.5m时,井眼的存在对储层地应力的影响可以忽略不计,基于汞压法得到页岩、砂岩和煤岩与分形维数的对应关系,并借助PFC离散元软件建立分形维数和裂缝扩展模型的关系,得到压裂液排量、分形维数、应力不均匀系数和岩石岩性对裂缝扩展的影响规律,为了使裂缝张开表面积最大,增加排量的同时,尝试调整应力不均匀系数。(4)通过理论推导,基于全三维裂缝模型编制了裂缝动态扩展预测软件,通过对比现场微地震监测结果、Fracpro-PT软件计算结果,验证了自编软件计算的准确性,借助该软件研究了施工参数、岩石力学参数和储层岩石力学参数对裂缝几何形状的影响规律,并针对多裂缝储层水力压裂裂缝尖端暂堵问题进行了研究,在考虑缝间应力干扰的基础上研究了水力裂缝遭遇天然裂缝后的扩展情况。研究结果表明:当最大水平主应力≥最小水平主应力时,逼近角小于25°时,水力压裂裂缝不能穿过天然裂缝;随着逼近角增加,当该角度为50°时,水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展,当该角度为60°时,水力压裂裂缝穿透天然裂缝;当主应力差为2.5MPa时,应力转向的临界距离为49m,建议分段压裂间距设置小于49m。(5)根据煤层气、页岩气和砂岩气在储层内的运移特性,建立气体产能预测的气水两相模型,根据此模型分析了页岩、砂岩和煤岩水力压裂裂缝有效长度、裂缝条数等对气体产能的影响规律,结合裂缝的特性,笔者给出了非常规油气增产的措施,对于煤层气可以使用变密度支撑剂增加裂缝有效长度的方法,对于页岩和砂岩油气藏则需要采用分段压裂调整裂缝间促使裂缝干扰形成网状裂缝增加裂缝张开表面积,进而增加产能。