我国致密气储量丰富,许多研究成果表明,川东北地区主体陆相保存条件好,油气显示活跃,此区块陆相属于致密砂岩储层,岩性致密、孔隙度小、渗透率低、非均质性强,常规压裂难度大,改造效果差,难以实现工业化开采的效果,经济效益极低,因此,采用体积压裂技术对储层进行人工改造是十分有必要的。本文针对川东北地区陆相致密砂岩储层,为了对储层岩石的可压裂性、压裂效果、裂缝的三维特征等取得精细化的认识,明确储层裂缝起裂、扩展及最终形态的影响因素,利用室内大型真三轴岩石压裂微震试验系统,进行了400 mm×400 mm×400 mm的致密砂岩立方体试样在不同排量下的水力压裂试验,同时加入声发射定位监测设备以研究压裂过程中岩石裂缝的演化特征。在试验前后都对砂岩试样进行声波测试和表面裂缝的测量以分析压裂前后岩石的声波特性及裂缝形态的变化,最后结合数值模拟结果明确水力裂缝的扩展形态及规律。具体研究内容及成果如下:(1)通过地层破裂压力理论、水力裂缝起裂与扩展理论和X-ray矿物成分的分析,预测了致密砂岩的破裂压力理论值会达到78.55 MPa,水力裂缝稳定扩展压力理论值达到80.575 MPa,脆性矿物法计算出的脆性指数为64,脆性等级为“较好”,并基于以上分析对致密砂岩的可压裂性进行了预测和评价。(2)不同排量的真三轴水力压裂试验结合20个通道的声发射定位监测共同进行,研究排量在100 m L/min、200 m L/min和300 m L/min下致密砂岩的破裂情况。通过井孔压力曲线、声发射定位和声发射参数的分析,结果证明在大排量300 m L/min的情况下,井孔压力的起裂和峰值应力都较高,压裂期间产生的声发射信号较多、幅值较大、释放能量最多,达到的压裂效果最好。(3)对压裂试验前后的致密砂岩岩样进行声波测试,通过试样点面结合及整体的横波和纵波变化情况探究了水力压裂使砂岩发生的宏观性变化,测试结果显示压裂后试样的平均波速比压裂前平均波速小。进而通过声波获得了弹性模量和泊松比等岩体力学参数,发现压裂后的动弹性模量普遍下降,动泊松比普遍上升,反映出岩石压裂后塑性增强,弹性减弱,也发现了动弹性模量随着其波速的增大而呈现不断增大的规律。同时,利用岩石力学弹性常数法获得压裂后三个试样的脆性等级为“中”,脆性等级降低,说明水力压裂对岩石内部造成了严重损伤,进一步验证水力压裂达到了较好的效果。(4)通过压裂试验前后裂缝的平面展开图对比,观察其主裂缝的形态并测量每条新生裂缝的长度和角度,分析裂缝的长度、走向及其发育程度。测量发现:压裂后三个试样的主裂缝均是在最大或最小主应力方向,在主裂缝和天然裂缝的基础上,有新的次级裂缝分支出现。新生裂缝主要沿着南北向和东西向发展,并呈现出中心对称的规律,与声发射定位信息相符,并且通过计算裂隙率发现压裂后试样都达到了“较发育”的裂隙发育等级。(5)利用PFC2D软件建立水力压裂数值模型分析不同排量对压裂效果的影响,模拟结果显示排量对裂缝扩展方向、形态及数量等方面都有影响,数值模拟和试验分析的结果有较好的一致性,大排量试样的裂缝走向更清晰,裂缝网络更复杂,压裂效果最好。压裂产生的裂缝以张拉裂缝为主,占总裂缝数量的80%以上,排量从100 m L/min增加到300 m L/min,产生裂缝总数增加近10倍。