页岩气储层低孔、低渗的特性使得页岩气开采必须依靠储层改造增透措施来提高产能。水力压裂作为一种高效的储层改造方法,已经广泛应用于页岩气等非常规储层改造。页岩气储层内部层理、矿物分布的非均匀性、井口初始裂缝等影响因素显著增加了水力压裂裂缝扩展过程的复杂性和预测难度,使得水力压裂裂缝的扩展机理至今依然不够清晰,成为页岩气储层压裂机理研究及工程控制的关键科学问题。因此,研究层理力学性质、储层非均质性、初始裂缝形态对页岩在水力压裂作用下破坏和成缝过程的影响具有重要的科学和工程意义。本文采用室内试验、数值模拟与理论分析相结合的研究方法,从细观力学角度研究了层理强度参数、低脆性矿物颗粒质量分数、井口初始裂缝几何参数变化对细观裂缝类型、宏观裂缝形态以及不同加载条件下页岩破裂压力的影响,并引入分形维数概念定量评价了水力压裂裂缝网络的复杂程度。本文主要研究成果如下:(1)建立了层理页岩三点弯曲试验和常规压缩试验的细观力学模型,系统分析了层理强度参数对页岩在拉/压状态下的破坏强度、细观裂缝类型、裂缝网络复杂程度的影响。研究结果表明,当页岩破坏主要发生在层理时,页岩破坏强度与层理整体强度两者之间存在线性相关关系,并且这种相关性不因围压变化而改变。另外,层理剪-拉强度比对页岩宏观裂缝形态及细观裂缝类型的影响程度要高于层理整体强度。(2)建立了层理页岩的水力压裂数值模拟模型,并引入分形维数定量评价各类细观裂缝对页岩总裂缝网络复杂性的贡献程度。研究了层理强度参数变化对水力压裂裂缝与层理交互贯通模式的影响,总结归纳了层理整体强度及层理剪-拉强度比对水力压裂裂缝形态演化的影响规律。研究结果表明,当层理整体强度参数相对较高时,水力压裂裂缝形态简单并且主要沿着大主应力方向延伸;当层理剪-拉强度比相对较低时,水力压裂裂缝形态复杂并且呈放射状向四周扩展。降低层理整体强度更易提高层理裂缝的分形维数,而降低层理剪-拉强度比更易提高基质裂缝的分形维数。(3)将储层非均质性引入页岩水力压裂数值模拟模型,系统分析了低脆性矿物颗粒质量分数及弹性模量对页岩临界破裂压力、压裂液注入量、拉应力场分布以及裂缝渗透率的影响。研究结果表明,选择低脆性矿物质量分数较高且弹性模量较低的页岩气储层开展水力压裂,可以在相同压裂条件下获得较低的页岩临界破裂压力,并且裂缝渗透率较高,储层相对容易进行改造。该研究结果可以为今后通过页岩矿物组成及力学特性判断水力压裂难度和预测压裂效果提供指导意见。(4)提出人工干预水力压裂裂缝扩展路径的工程方法,数值模拟了裂缝扩展路径并多角度对比评价了储层改造效果。通过设计不同的井口初始裂缝形态,分析了井口初始裂缝长度、裂缝分支方向、裂缝对称性等对裂缝扩展路径、孔隙水压力分布及页岩临界破裂压力的影响,并对比研究了三种井口初始裂缝对裂缝渗透率、裂缝分形维数以及储层增产范围的影响差异。相同压裂条件下,X型井口初始裂缝生成的裂缝网络形态更加复杂而对称径向井口初始裂缝诱导产生的裂缝开度较大。上述研究成果揭示了页岩气储层压裂改造过程中的裂缝扩展规律。结合页岩气储层的层理和基质特征及注射井初始环境,该研究结果可以为压裂施工层位的选择,评价储层可压裂性及预测水力压裂裂缝扩展形态提供有效的参考和理论指导。该论文有图96幅,表24个,参考文献191篇。