页岩气作用一种低碳、清洁的新兴能源,它的勘探与开发一直是国际能源的重点。目前“水平井+体积压裂+工厂化作业”是页岩气高效开发的基本模式。近年来,在水力压裂的实践中发现,相对于常规储层改造,在非常规储层的体积压裂过程中,存在用液量大的问题,北美地区的页岩气井的每口井的用液量均高达2×104m3,由于页岩特殊的孔隙结构特征,在返排过程中普遍出现返排率较低的特点,这就导致存在大量的压裂液滞留于储层中。大量的压裂液滞留于储层中,水与岩石必然产生的水化反应,根据水化相互作用原理,吸水后的和岩石微观结构发生改变,导致岩石的力学性质的软化,随即能够诱导新的裂缝产生或者开启原本处于闭合状态的天然裂缝,从而对压裂中形成的缝网形态、储层的导流能力和储层的稳定性等一系类工程施工问题产生重要影响。因此,针对水化作用下的页岩力学软化特性的研究,对于油气勘探设计中优化返排制度及压裂施工设中泵注设计,以及为储集层流体提供连通性更好的渗流通道具有指导意义。本文以龙马溪组井下岩芯作为研究对象,采用清水自由浸泡实验手段,借助一系列微观仪器及宏观试验仪器,对水化作用下不同浸水时间下的页岩的水化微细结构变化、孔径变化、微裂缝扩展行为进行分析,以浸水处理后的三轴压缩试验为依托,借助连续损伤力学和统计理论,建立水化-载荷耦合作用下的岩石损伤本构模型,对水化作用下页岩的力学性质损伤效应演变过程进行研究。主要研究结果如下:(1)通过页岩的X衍射、环境电镜试验,原本致密层状结构随着浸水时间的增加,逐渐变得松散分散,矿物之间的胶结程度逐渐降低,孔隙、裂缝增多。通过核磁横向驰豫时间T2谱面积反演分析和压汞试验,水化作用促使原有小孔隙膨胀,渗透率增加,原本孔隙密集的互相连通,并伴随产生新的裂缝。通过CT技术,建立了评价浸水处理后页岩细观损伤的方法,揭示了页岩在水化作用下,由于毛细管力的作用,基质内部微观结构及次生裂缝经历了斜交缝出现→斜交缝扩展→基质微裂隙出现→斜交缝扩展加速→微裂缝分叉扩展→水化裂缝产生→微裂隙扩展贯通的演变过程。(2)通过开展室内三轴压缩试验,揭示了页岩在水化作用下力学参数软化规律。试验结果表明,浸水作用对岩石的影响是渐进的,初期影响较为显著,随着浸水时间的延长,软化效应逐渐较弱。采用页岩的软化度,表征水化作用下岩石强度的影响程度。岩石时间对岩石的破坏形态影响显著,水化作用初期,页岩破坏特征一般表现为劈裂张拉破坏。在高围压下,伴随着水化作用时间的增加,岩石塑性明显增强。(3)将水化-载荷作用耦合到统计损伤本构模型中,运用连续损伤力学和统计力学理论,通过岩石微元强度的Weibull分布建立损伤演化方程,推导出水化-载荷作用下岩石的损伤本构模型,对页岩劣化过程进行描述。水化时间的延长和围压作用均会对Weibull参数m、F0的值造成影响,水化初期,水化作用时间对m影响较大。