研究煤储层地应力分布和水力压裂裂缝扩展,有助于提高煤层气的勘探开发效率,是目前煤层气开发领域的难点。本文以沁水盆地南部的郑庄区块为例,通过现场采集的煤样,开展了含气量以及吸附时间测试,水力压裂实验,常规三轴测试,基于有限元软件的大量模拟等工作。研究分析了郑庄区块煤储层吸附能力影响因素,郑庄的地应力分布特征,分区地应力评价体系,破裂压力的有限元模型,煤储层水力压裂裂缝扩展规律,以及水力压裂下天然裂缝起裂的有限元模型。主要认识和研究成果如下:(1)揭示了郑庄区块的煤储层在三种压实条件下的孔渗的差异性分布特征。建立了地应力分区评价模式。通过分区比较地应力对孔隙度与渗透率的影响,阐明了地应力对煤储层孔渗的控制机理。(2)建立了二维的煤储层破裂压力模型,阐明了煤储层破裂压力的影响因素。模拟结果显示水力压裂施工时,射孔长度和射孔孔径均应控制在适当大小,煤储层较高的泊松比会增加压裂的难度,随着煤储层埋深的增加,煤岩的破裂压力受水平应力差的影响反而越小。(3)揭示了煤储层水力压裂裂缝扩展规律,阐明了井筒与煤中层理的角度以及应力条件对水力压裂效果的影响。结果表明压裂液均会沿着裂缝优势通道优先扩展,导致很难形成新的大裂缝。井筒与煤中层理为垂直角度,最有利于主裂缝的形成,否者容易导致压裂液的滤失。较低的应力环境有利于水力裂缝的起裂,在高应力环境中,增加压裂液排量有助于提高压裂效率。在同样的应力加载条件下,较高的排量能在压裂破裂之后,依旧保持很高的油压从而有助于保持水力裂缝的持续开启。(4)建立三维的单裂缝模型,模拟了不同的地应力条件下,水力裂缝的起裂点和起裂类型的判断。结果显示较高的侧压系数不利于形成剪切和压裂缝;当发生应力转换时,对压裂缝形成的位置影响较大;加载同样的垂向压力时,水平应力差系数对新形成的裂缝类型影响不大,侧压系数是决定裂缝扩展类型的主要因素。