中国川渝地区五峰组—龙马溪组页岩气储量丰富,7年来取得了跨越式发展,基本实现了页岩气的工业化生产(如威远、长宁、涪陵的页岩气田)。但与北美页岩储层的地质特征相比,中国页岩气储层埋藏深、地质构造挤压作用显著,部分页岩储层水力压裂施工表现出破裂压力高,支撑剂运移困难的特点。本文以重庆涪陵地区页岩气开发为研究背景,就层理页岩力学性质描述、页岩储层起裂压力预测、近井筒水力裂缝形态以及层理面对水力裂缝垂向扩展的影响等几个问题进行了研究,以期为页岩高效开发提供参考。本文主要进行了以下几方面的工作:(1)针对页岩结构非连续性和力学各向异性特征,建立基于离散裂缝建模方法的连续损伤模型。采用页岩岩心进行岩石力学实验,研究层理方向和围压等因素对页岩岩石力学性质的影响规律,优选出双曲线型Drucker-Prager模型兼顾对岩石拉伸和压缩条件下强度的预测。为模拟页岩变形、破坏和强度特征引入损伤变量参数,作为应力加载条件下控制岩石单元刚度、强度演化的重要参数。根据层理页岩的结构特征决定采用离散裂缝模型建模方法对页岩的层理和基体进行描述,将初始损伤变量作为区分材料力学性质和物性非连续程度的重要参数,实现对页岩非连续性,以及页岩整体变形和强度各向异性的模拟。(2)针对螺旋射孔井近井筒水力裂缝形态及储层起裂压力预测的问题,建立现场尺度渗流-损伤耦合计算的地层-井筒-射孔三维有限元模型。模型采用分阶段模拟技术顺序实现对钻井-固井-射孔完井过程的模拟,以获取合理的井周有效应力分布结果。模型耦合了渗流-损伤计算可模拟随着液压加载井筒周围初始水力裂缝形态,并以此预测储层起裂压力,克服了传统最大拉应力准则的局限性。现场数据和物理模拟实验结果验证了模拟方法的有效性。在此模型基础上考察不同井筒走向和倾向对射孔起裂率、局部裂缝偏转以及孔眼间裂缝连通性等近井筒水力裂缝形态影响。因此,本模型除了可用于预测储层起裂压力,还可以为射孔参数优化设计提供指导。(3)针对构造挤压和页岩层理结构对水力裂缝垂向扩展影响规律的问题,改进了渗流-应力-损伤耦合计算方法,建立了水力裂缝垂向扩展数值模型。模型可有效模拟水力裂缝在岩体中的扩展以及水力裂缝与天然裂缝的相互作用下产生的复杂裂缝形态,数值模拟方法得到物理模拟实验结果的验证。结合数值和物理模拟方法综合考察了地应力、压裂液黏度、排量、层理强度和层理倾角对水力裂缝垂向扩展的影响。研究结果显示:(1)采用低注入速率(10ml/min)注入低黏压裂液(3m Pa·s)时,当水力裂缝与层理面相遇易产生水力裂缝偏移、转向或停止扩展,导致复杂裂缝形态的形成,将严重影响支撑剂的运移和填充。(2)在高构造应力条件下,当层理面倾角超过30°时,若使用低黏压裂液,即使采用高排量(60ml/min),水力裂缝遇到层理也会发生偏移或转向,最终会对压裂效果产生影响。