本文以致密岩体微观矿物成分差别对岩体宏观脆性的影响为切入点,建立了基于不同矿物含量的局部脆性指数定量表征评价方法,通过室内实验对岩体水力压裂局部脆性区域扩展形态进行描述。建立了局部脆性评价方法下水力裂缝扩展规律模型,并结合数值模拟及室内实验分析判别岩体局部脆性区域对水力压裂过程中水力裂缝扩展规律的影响。论文的具体研究工作与成果包括如下几个方面:首先,通过实验分析测定了沙河街组致密岩体力学性质及微观矿物成分含量。结合逐步回归分析方法建立了沙河街组致密岩体微观矿物成分与宏观力学性质之间的定量表征关系。并以此为基础结合弹性参数法建立了岩体局部脆性表征评价方法。通过回归分析发现岩石中矿物的性质及含量对岩石局部脆性的影响差异明显,其中:石英、方沸石含量越多,岩石脆性指数越大;方解石、白云石、菱铁矿及粘土矿物含量越多,岩石脆性指数越小。通过岩体局部脆性表征方法可以离散化描述储层局部脆性分布,为局部脆性条件下水力裂缝扩展规律研究提供基础。其次,通过室内水力压裂实验方法,观察了不同局部脆性分布条件下,天然致密岩心水力裂缝扩展形态,并对水力裂缝扩展规律进行了分析总结。研究结果表明,预置局部脆性区域的不同对水力裂缝扩展形态产生明显的影响。局部脆性区域的存在使水力裂缝从张性演化扩展模式向张剪混合演化扩展模式转变,同时诱导了水力裂缝延伸的方向,增加了水力裂缝扩展的复杂程度。当局部脆性区域与水平最小主地应力方向夹角较小时,水力裂缝易受诱导应力场的影响发生偏转,垂直于局部脆性区域方向延伸并贯穿局部脆性区域。随着局部脆性区域夹角的增大,水力裂缝不易发生偏转,既存在径直转向并靠近预置裂缝扩展的情况,又存在忽视诱导应力场,沿最大水平主地应力方向扩展的情况。此时,水力裂缝扩展方向随机性强,呈发散扩展。再次,建立了局部弱脆性区域分布条件下水力裂缝受诱导应力场的影响的裂缝交互扩展模型,并通过数值模拟及室内实验方法分析了岩体局部脆性区域夹角对水力裂缝扩展诱导转向的变化规律。研究结果表明,当岩体局部弱脆性区域夹角较小时,增大岩石整体脆性,水力裂缝偏转角度明显减小,水力裂缝扩展形态呈现穿过+诱导+分叉合并复合扩展模式,形成的缝网形态复杂性强,裂缝间连通性大,整体的波及区域大。随着局部弱脆性区域夹角的增大,岩石整体脆性的变化对水力裂缝的偏转影响明显降低,水力裂缝扩展形态最终转变为单一诱导扩展模式,此时不易形成缝网结构。最后,通过数值模拟方法,分析了不同地应力差、不同脆性分布、不同局部脆性区域角度及不同局部脆性区域厚度条件下,水力裂缝扩展规律,并开展了多层人造方形岩心水力压裂扩展室内实验。结果表明,岩石的局部脆性分布增大了水力裂缝扩展的复杂性。局部脆性区域脆性过高或过低时,水力裂缝均会发生大角度偏转,局部脆性区域脆性与岩石整体脆性接近时,水力裂缝偏转角度明显减小。且水力裂缝更容易从高脆性区域穿过低脆性区域。因此,局部脆性分布差异较大时,储层更容易形成缝网分布,为裂缝的多向扩展提供了基础。总之,本文从岩体局部脆性定量表征出发,研究了不同局部脆性区域下致密岩体压裂水力裂缝扩展的一般规律。该课题的选题与内容为致密岩体水力压裂与缝网形态研究开辟了新的思路与方法,针对储层性质进行精确分析,使储层压裂过程中更容易控制水力裂缝扩展形态,为致密岩体储层改造效果评价奠定了科学基础。