随着我国煤炭石油等传统能源供应的日趋紧张以及环保压力的逐渐增加,作为一种新型清洁能源,页岩气发挥着越来越大的作用。我国页岩气储量十分丰富,分布区域广泛,开采潜力巨大,但页岩气储层一般具有―低孔低渗‖特点,需要经过大规模水力压裂,进行体积改造,才能实现商业开采。我国页岩气储层地质条件复杂多变、埋深较大,目前无法对地层深部水力裂缝的扩展过程以及裂缝形态进行有效的监测,再加上对体积改造机理缺乏深入的认识,虽然部分页岩气井已实现商业开采,但施工过程仍具有盲目性,造成了一定的资源浪费,因此掌握页岩气藏水力压裂裂缝延伸规律,研究水力压裂裂缝网络形成机理,分析影响裂缝扩展的主要因素等具有重要意义。本文以龙马溪组页岩为研究对象,开展了页岩基础力学性质、本构模型、储层可压性评价、大型室内水力压裂物理模拟试验及相关理论研究,主要内容如下:(1)页岩各向异性特征:通过SEM电镜扫描以及X射线衍射技术,分析了页岩的微观孔隙结构特征以及矿物组分特征,发现页岩内部含有大量微裂隙和微孔隙,页岩中以石英为主的脆性矿物含量高达75.42%,可压性较高;通过对不同层理倾角下的页岩进行波速测试、单三轴压缩试验、三点弯曲试验和巴西劈裂试验,发现页岩的波速特征、应力应变曲线、变形特征、抗压强度、弹性模量、破坏模式、抗拉强度、断裂韧性等物理力学性质均具有明显的各向异性特征,分析认为产生各向异性的根源是层状沉积结构和层理间的弱胶结作用;(2)本构模型:基于不同加载速率下页岩的高围压三轴压缩试验,充分考虑损伤变量的变化规律,以屈服应力为界,改进了新的微元强度度量方法,建立了高围压下页岩的统计损伤本构模型,并对该模型进行了验证和讨论;(3)脆性特征:基于页岩的全应力应变曲线,采用脆性跌落系数、应力降系数和软化模量等,建立了脆性评价综合指标,通过页岩的基础力学试验验证了其适用性,发现页岩脆性较高,属于高可压性地层,脆性指标随着围压的增加而降低,降低速度逐渐减小,页岩脆性具有明显的各向异性特征,相同围压下层理倾角为0°和90°的页岩脆性指数最高,60°次之,30°最小;(4)水力压裂试验:基于真三轴物理模型试验机、水力压裂伺服系统、声发射定位系统,试验前在压裂液中添加示踪剂,试验后对试样进行剖切分析和大型工业CT扫描等方式,建立了一套室内页岩水力压裂大型物理模拟试验方法以及水力裂缝表征方法,分析了竖直井和水平井压裂条件下页岩试样水力裂缝的延伸与空间分布规律,并对页岩压裂裂缝网络的各形成机制进行了研究,发现井筒末端出水口和层理面的位置关系、层理面的胶结程度、天然裂缝的发育程度与裂缝网络的形成密切相关,层理面胶结程度适中地层最有利于裂缝网络的形成;在水平井压裂条件下,对比分析了水力裂缝在页岩、致密砂岩、介壳灰岩等露头岩石中的扩展规律,揭示了岩性、层理面、天然裂缝、水平地应力差、压裂液排量和粘度等对水力裂缝扩展规律的影响;(5)裂缝扩展断裂力学模型:基于含2个预制共线裂隙页岩的单轴压缩试验,研究了含共线闭合裂隙页岩的裂纹扩展规律,从断裂力学角度解释了裂纹起裂的顺序,推导了板状页岩的脆性断裂准则;结合室内水力压裂试验,从断裂力学、弹性力学角度,对水平井压裂条件下水力主裂缝的起裂压力以及水力裂缝与天然裂缝(层理面)的交互作用进行了定量计算,并给出了交互作用的判据,分析了裂缝的扩展机制和裂缝之间的干扰机制。