与北美相比，我国页岩气储层地质条件更复杂：埋藏更深（普遍3000m，部分已达5000m）、演化程度高、晚期构造活动强烈、断层/裂缝发育、水平地应力高且差异大（地应力高达110MPa、水平地应力差高达25MPa）、页岩各向异性强/破裂强度高，致使页岩气的压裂开发难度更大。近年来，涪陵、长宁、威远等四川盆地主要页岩气田的生产实践发现，页岩气井投产后前三年产量下降50%以上，储层压力下降高达25MPa。为了弥补单井产能递减，稳定推进区域产能建设，通常在生产老井中进行重复压裂，或在同一或相邻平台已有生产井之间钻加密井并进行体积压裂，来提高储层的动用程度。由于储层压力、地应力等地质力学参数随着页岩气开采不断演化，使得老井与加密井裂缝扩展存在明显差异。如何准确预测储层四维地应力演化、保证加密井压裂压出复杂裂缝，而又不压窜老井，是制约我国页岩气持续高效开发的新难题。
本文针对四川盆地页岩气储层渗透率低、非均质性和各向异性强、天然裂缝发育、地应力高且差异大等复杂地质力学特征，围绕页岩气储层四维动态地应力演化及加密井复杂裂缝扩展模拟问题，提出了基于地质-工程一体化的加密井压裂裂缝扩展理论与分析方法，包括页岩双重介质多裂缝起裂与交错扩展的有限元-离散裂缝网络（FEM-DFN）数值模拟方法、非均质各向异性页岩压后四维地应力多物理场建模方法、基于页岩储层四维地应力动态演化的加密井压裂复杂裂缝扩展模拟方法，构建了由页岩气老井初次压裂复杂裂缝相交与分岔扩展-页岩气长期开采过程中储层四维地应力演化-加密井复杂裂缝扩展一体化数值模型，模拟了老井压后开采过程中的四维动态地应力演化和加密井复杂裂缝扩展，揭示了页岩气储层四维地应力演化和加密井复杂裂缝扩展机理，形成了基于地质-工程一体化理念的页岩气储层四维地应力演化及复杂裂缝扩展预测技术。
通过本文研究发现：（1）储层地应力演化主要受孔隙压力影响，其控制范围集中在老井井筒及有效压裂改造区附近，从井筒向裂缝尖端呈现出渐变梯度；此外非均质性和横观各向同性对地应力演化具有一定程度影响；（2）老井水力压裂裂缝在井筒两侧较均匀，且井筒附近裂缝复杂度与裂缝端部变化不大。但受地层应力状态变化影响，加密井水力裂缝在井筒附近裂缝复杂程度较高，分支扩张裂缝较多，特别是层理缝扩张形成的分支扩张裂缝；靠近老井处裂缝相对简单，且主要为构造缝扩张形成的分支裂缝，层理缝难以开启；（3）井区内加密新井压裂过程中首次发现的微地震事件屏障效应其内在地质力学机理是：一是老井改造区域内，地层能量在初次压裂时已释放；二是由于页岩气开采导致生产老井压裂区域内的水平应力差增大，使得加密新井水力裂缝在扩展至老井压裂区域附近时，更倾向于直接穿透天然裂缝，进而使得天然裂缝的激活数量大大减少；（4）压裂时机越晚，加密井井筒附近分支裂缝越密集，但改造体积越小，初期产量越低。当目标井组生产36个月时进行加密井压裂，井组累计产量最高，开发效果最优。本文提出的页岩气藏加密井压裂复杂裂缝扩展及压裂时机优化数值模拟方法，能系统考虑页岩气储层物性、天然裂缝及储层地应力等地质因素的非均质性和各向异性，有效指导页岩气加密井部署及压裂优化设计，为我国页岩气的长效开发提供了理论与技术支撑。

页岩气；四维地应力；加密井；复杂裂缝扩展