水力压裂所产生的复杂裂缝表现出典型的多尺度特征,裂缝形成的时间跨度从动态裂缝的微秒量级,延伸至准静态裂缝的小时量级;其空间跨度从微裂纹的微米量级,延伸至主裂缝的百米量级。如何研究这种复杂多尺度裂缝的形成机理,并对其起裂扩展形态进行多尺度表征,一直是石油工程岩石力学中一个至关重要的问题。从本质上来说,水力裂缝的扩展问题,是一个结合了流体力学与断裂力学的多尺度耦合问题。然而由于观测手段的限制,不论是在真实地层施工方面,还是在室内实验方面,水力裂缝的多尺度研究都受到很大制约。本文以水力裂缝的多尺度扩展机理与表征为研究对象,在多时间跨度和多空间尺度两个方面,基于实验和理论探讨了水力裂缝的多时间跨度扩展、水力裂缝多时间跨度条件下的钝化、页岩I型裂缝的多空间尺度表征以及页岩微观尺度内聚区模型的力学机理。主要内容如下:(1)水力裂缝的多时间跨度扩展实验与机理研究设计制作了一个实验室尺度的,可研究动态及拟静态水力裂缝仪器。研究了动态水力裂缝中流体前缘与缝尖的关系;对水力裂缝的拟静态扩展使用光学显微镜及数字图像相关技术进行表征。仪器可靠性验证使用Williams序列与数字图像相关技术相结合。建立了压裂液的动量平衡方程,进行了数值求解。数值计算结果表明缝尖与流体前缘关系的理论预测与实验观测吻合良好;在水力裂缝停止扩展之前,水压输入能量的一半以上转换为了流体动能。通过量纲分析,预测了动态体系中平衡状态的存在,并在实验中成功验证;提出了缝尖与流体前缘的无量纲分离准则,与实验结果吻合良好。结果表明缝尖与流体前缘的分离受到裂缝轮廓、等效流体速度、注入压力及流体密度共同控制。此研究给出了动态水力裂缝的直观观测结果,所建立的缝尖与流体前缘的分离准则能够在水力压裂数值模拟中帮助区分水力裂缝的动态与准静态行为。(2)水力裂缝多时间跨度条件下的钝化研究从泵压曲线上看,水力裂缝的扩展过程是一个裂缝起裂与止裂相交替的过程。裂缝每次起裂所需要的压力,一定程度上取决于缝尖在止裂时由于应力集中而出现的钝化。本文的研究使用透明的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)样品,对多时间跨度应力集中下水力裂缝的钝化进行研究。使用静态与准静态结合的方法对裂缝多尺度钝化程度进行测量,钝化程度由起裂韧性与止裂韧性之比表示。结果表明水力裂缝可以在1毫秒至6×10~5毫秒的时间跨度内被钝化,缝尖的钝化形态取决于缝尖应力集中的形式。研究结果表明水力裂缝钝化的本质是缝尖微裂纹的发育,主裂缝的起裂韧性与止裂过程的时长呈正相关关系;水力裂缝止裂时间与微裂纹沟通发育程度呈正相关关系。室内实验揭示出,现场压裂中,停泵憋压能够一定程度上促进水力裂缝周围微裂纹的发育。(3)页岩I型裂缝的多空间尺度表征与页岩微观尺度内聚区模型的力学机理研究页岩主裂缝附近存在激活区,其中密布着被激活的微裂纹。激活区中微裂纹不仅主导着裂缝的钝化,而且对油气增产也有着至关重要的作用。本文对页岩I型裂缝进行了多空间尺度表征,并对页岩微裂纹形成的主要原因——“内聚区”的发育,进行了实验及理论方面的研究。为了得到内聚区的微观图像并对缝长和缝宽进行测量,设计制作了微型双悬臂梁I型裂缝拉伸装置,使用环境扫描电子显微镜对页岩I型裂缝进行观测。缝宽的测量配合数字图像相关技术,缝长的测量主要使用分形理论中的码尺法。结论表明缝宽表现出较大的空间尺度变化,而缝长的测量结果则随着码尺的改变而变化。内聚区的研究方面,主要探究了内聚区的力学性质,提出了“内聚区单元”概念,发现“内聚区单元”为内聚区中产生内聚力的基本单元。使用实验数据对内聚区的力学性质进行了拟合求解,探究了多个内聚区数学模型之间的差异。使用离散元数值模拟方法对内聚区单元的力学性质进行模拟,结果表明内聚区的力学性质与实验结果吻合良好。本研究给出了页岩裂缝激活区中微裂纹发育的直观实验观测,所建立内聚区力学模型能够很好的描述页岩裂缝扩展过程中微裂纹的行为。研究结果揭示出,在现场压裂施工过程中,即使压力没有达到地层破裂压力,地层中的裂缝也处在缓慢的亚临界扩展状态。