页岩气藏作为非常规天然气资源的重要组成部分,具有资源分布广泛、长期稳定产气等特点,是目前新能源领域中的研究热点之一。页岩储层基质渗透率极低的特性要求只有借助大规模人工水力压裂技术才能实现工业气流,鉴于页岩储层本身的复杂性和压裂施工的高投入成本,对页岩气井在实施压裂前进行裂缝的优化设计十分必要。针对页岩储层性质和页岩气水平井分段分簇的压裂施工特点,需要从整体出发,对页岩气水平井每段压裂形成的独立裂缝系统进行模拟设计,这与基于传统单一椭圆双翼裂缝模型的压裂理论有着较大差异,目前还没有成熟的理论针对这一问题进行过系统研究。本论文应用储层地质学、岩石力学、弹性力学、流体力学及计算数学等交叉学科的理论和方法,围绕页岩气水平井分段压裂中每段形成的单独裂缝系统,根据实际形成裂缝的复杂度,抽象出一级裂缝簇和二级裂缝网络两种几何模型。借鉴经典压裂理论分别展开了两种裂缝系统的扩展模拟及优化工作,试图从理论和实际应用上寻求一定突破和提高,用以解决目前页岩气水平井分段压裂中单段多簇射孔压裂设计困难的问题,从而为推动和提高页岩储层的压裂改造效果提供重要技术指导。基于前人研究成果,本文主要从以下五个方面对页岩气水平井分段压裂优化设计进行了系统研究:(1)以下扬子海相页岩和延长组长7段陆相页岩为代表,通过QEMSACN,XRD,SEM等先进岩芯分析设备和室内三轴实验等对两套页岩的孔吼发育特性、岩石力学性质等进行了定性和定量分析,比较了陆相页岩和海相页岩在储层性质和开发特征上的差别。结果表明,海相页岩具有较高的TOC含量和成熟度,矿物质量组成内富含硅质,具有良好的脆性。而对于陆相页岩来说TOC含量同样较高,但是热成熟度偏低,存在页岩油气共存的潜能;相对海相页岩来说,陆相页岩的总体粘土含量偏高,脆性矿物除石英外,还包括长石等其他脆性矿物,部分层也具有良好的脆性。对页岩的单轴岩石力学实验发现,页岩的应力-应变关系多表现出脆性特征;循环加卸载三轴实验发现随着围压的增加,页岩的弹性模量和泊松比也不断增加,在同一围压条件下,岩样在卸载过程中的泊松比大小比在加载的过程中大,而弹性模量在加载过程中的大小比其在卸载过程中的结果大。但是,裂缝发育性页岩将具有不同的力学响应模式;三轴实验结果同时验证了高脆性页岩易于破碎形成裂缝网络的结论。(2)通过大量文献调研,在对页岩储层的独特成藏、地质力学特征及人为压裂施工因素研究的基础之上,系统凝练出影响页岩气藏压裂改造中裂缝扩展形态的相关主控因素。在文献结果总结之上,提出采取综合脆性指数代替常规脆性指数计算方法以减少误差。通过极差变化标准化,建立考虑综合脆性指数、弹性模量和裂缝i、ii型断裂韧性等因素的综合可压裂模型来评价页岩储层的可压裂能力。基于室内岩心分析实验结果和现场测井资料数据,将可压裂模型与计算的含气量和闭合应力等参数相结合来指导页岩气井射孔及压裂工艺优选,以提高增产开发方案的针对性和目的性。(3)本文主要研究了水平井分段压裂过程中的每段内形成裂缝系统的优化设计问题。对于偏塑性页岩储层,由于可压裂系数较低,难以形成裂缝网络,页岩气水平井压裂过程中,通常采用垂直于最大水平地应力方向上进行钻井以产生横向裂缝,基于每个射孔簇将产生一条横断裂缝的假设,建立了段内一级缝簇几何模型。以经典二维模型为基础,借鉴直井多层压裂动态流量分配理论,耦合了射孔摩阻,沿程摩阻,多缝间的应力干扰等问题,建立了一级缝簇数学模型用以模拟一段内的多个横向裂缝同步扩展问题,并推导了该数学模型的数值解法。对于脆性页岩储层,在可压裂系数较高的情况下,基于水平段内将产生复杂裂缝网络的假设,在定义压裂改造范围为椭球体形态的基础上建立了二级缝网几何模型。认为沿最大水平地应力方向存在一条主横向裂缝,在主裂缝所在平面及其正交平面内分布着两组次生裂缝,基于平面内裂缝发育自相似理论,通过缝宽比和延伸比建立主裂缝和次生缝的几何关系,在建立上述几何模型之后,以传统拟三维裂缝模型和椭圆函数方程为基础搭建裂缝网络的扩展数学模型用以模拟一段内形成复杂裂缝网络的扩展问题,最后给出了该数学模型的数值解法。(4)在上述理论研究的基础之上,通过vb6.0系统开发了体积压裂软件,该程序操作简单,界面友好,计算迅速,能够模拟多级变排量下的页岩气水平井分段压裂施工过程,可以实现对一级缝簇和二级裂缝网络的几何形态模拟。利用该软件的一级缝簇和二级裂缝网络模块,对相关敏感性因素进行了系统分析,得出以下主要认识:对于一级缝簇而言,当有多条裂缝时,则裂缝之间的力学干扰普遍存在;随着段内射孔簇的增加,缝簇内各条裂缝的宽度降低明显,同时可以发现,两端裂缝缝宽受裂缝数量的影响要远小于中间裂缝。施工排量、压裂液粘度、地层弹性模量等对端部和内部横向缝的形态影响程度并没有明显差异,但对整个缝簇形态的扩展有一定影响。对于二级裂缝网络而言,发现弹性模量越大,水平应力差越小,压裂液粘度越低,整个储层的改造体积越大,其中水平应力差对储层改造体积结果影响最为敏感,而天然裂缝分布越低,改造体积越大,被认为造缝能量主要集中于水力裂缝的扩展,但改造体积内的复杂度则存在一定程度下降,具体改造效果应结合产能分析进行综合评估。(5)最后文章选择以鄂尔多斯盆地延长组储层和美国某海相页岩储层的两口页岩气井为例,分别进行了一级缝簇和二级裂缝网络的优化设计工作。应用结果表明,此软件可以实现对水平井分段压裂优化设计,同时也可用于配合微地震等裂缝监测技术对页岩气井进行压裂效果评估。该软件选取裂缝系统为研究对象,改变了常规商业软件只能以单一裂缝为模拟对象的缺陷,特别对于页岩气水平井分段分簇压裂施工有良好的适用性。这为分析施工排量和页岩气藏等储层性质对段内整个裂缝系统形态的影响有着重要意义,同时也为优选页岩储层压裂改造模式提供了重要参考手段。