页岩气储层常具有低孔、低渗的特性,开发此类非常规油气资源需要大规模的储层改造。通过水平井水力压裂获得水力裂缝,高效沟通储层中的天然裂缝和孔隙,是页岩气储层水力压裂改造的目标。本文研究了页岩气储层中天然裂缝和层理对水力裂缝扩展路径的影响机理,以及水平井分段压裂过程中多条水力裂缝之间的应力干扰机理,建立了水平井多裂缝扩展力学模型,从而为开发非常规页岩气资源体积压裂改造提供理论参考。(1)针对页岩气储层中天然裂缝对水力裂缝扩路路径的影响,以断裂力学为理论依据,对水力裂缝尖端应力场和作用在天然裂缝面上的应力场进行分析,建立了三维空间中I型水力裂缝贯穿天然裂缝的判别模型;针对非平面水力裂缝进行应力场分析,建立了I-II复合型水力裂缝贯穿天然裂缝的判别模型。研究发现:(1)水力裂缝沟通天然裂缝后,其扩展路径与天然裂缝的产状密切相关;天然裂缝走向角越大,水力裂缝越容易穿透天然裂缝;水力裂缝的穿透行为与天然裂缝倾角没有明显的关系。(2)水力裂缝沟通天然裂缝后,其扩展行为与三向主地应力的密切相关;三向主地应力差异系数和水平主地应力差异系数越大,水力裂缝越容易穿透天然裂缝。(2)针对水平井分段压裂多裂缝应力干扰问题,以边界元方法、线弹性断裂力学、流体力学为理论依据,研究多裂缝间应力场分布情况和裂缝内部压裂液流动规律,并建立了流-固耦合的水平井水力裂缝扩展力学模型,并用MATLAB编制成计算程序。该模型实现了水平井多段多簇水力裂缝依次扩展、同步扩展数值模拟。在模拟多裂缝依次扩展时,该模型还分别考虑理想刚性和线弹性支撑剂对水力裂缝闭合程度的影响;该模型结合水力裂缝与天然裂缝的干扰机理,可以模拟天然裂缝性地层中水力压裂裂缝扩展形态。研究发现:(1)在水平井多裂缝依次扩展中,水力裂缝间距越小,后压裂缝受到先压裂缝的应力干扰强度越大,后压裂缝的宽度越小。在水平井多裂缝同步扩展中,中间裂缝受到两侧裂缝的挤压,两侧裂缝成“排斥”状;当水力裂缝的间距越小时,水力裂缝之间的应力干扰强度越大,水力裂缝路径的弯曲程度就越大。因此,该模型解决了水平井多裂缝扩展时应力干扰问题。(2)在水平井多裂缝依次扩展过程中,第一条水力裂缝为平直缝,后压裂缝均为弯曲缝,并与第一条裂缝成“排斥”状;先压支撑缝的刚度越高,后压裂缝弯曲程度越大,宽度越小。在水平井多裂缝同步扩展中,裂缝之间相互竞争致使流量分配不均等,外侧的水力裂缝为大长宽缝,内侧水力裂缝为小窄缝。因此,该模型实现了模拟水平井多裂缝空间形态。(3)多裂缝同步扩展模型与多裂缝依次扩展模型相结合,实现了模拟水平井分段依次压裂。后压裂段中水力裂缝均会受到先压裂段中水力裂缝的应力干扰作用。(4)停泵泄压之后,水力裂缝的闭合应力与支撑剂的支撑力相平衡。与刚性支撑缝相比,弹性支撑缝闭合量更大,从而削弱了多裂缝间的应力干扰强度。(3)针对页岩储层中层理对水力裂缝扩展路径的影响,以边界元方法研究水力裂缝在层状介质中的扩展行为以及围岩应力场,评价了页岩岩层弹性参数的差异性对水力裂缝扩展角、裂尖应力强度因子和裂缝宽度的影响,建立了判别水力裂缝能否穿越层理面的力学模型。研究发现:水力裂缝倾向于“排斥”高弹性模量的岩层,“吸引”低弹性模量的岩层。与泊松比相比,弹性模量对水力裂缝扩展角、水力裂缝宽度的影响更为显著。受页岩层间弹性参数差异性的影响,层状页岩中的水力裂缝会出现转向扩展,并不总是垂直于远场的最小水平主地应力方向。