能源是人类生存和发展的重要物质基础,天然气和非化石能源已成为世界能源发展的主要方向。页岩气是赋存于有机质泥页岩中的非常规天然气,在我国其储量位居世界第一。页岩气储层致密低渗且含有大量天然层理,具有强非均质性和各向异性特点,须通过水力压裂技术才能获得商业产能,常规水力压裂裂纹扩展理论不能完全适用页岩储层。为了揭示非均质各向异性页岩气储层水力压裂裂纹的扩展规律,论文采用实验、理论和数值模拟相结合方法开展研究,主要研究工作及成果如下:(1)自主研制了具有多手段识别裂缝的真三轴水力压裂实验系统,开展了页岩各向异性力学特性和页岩原岩及相似材料模型水力压裂实验,得到了页岩垂直与平行层理方向单轴加载应力-应变关系及破裂强度指标和页岩水力压裂受层理和应力等因素影响的裂纹扩展规律:水力压裂裂纹扩展由地应力、层理方位以及页岩层理和页岩基质强度共同决定。(2)利用复变函数理论分析得到裂纹尖端应力状态,通过比较压裂裂缝遇层理时沿原方向和转向层理方向扩展时所需注水压力,建立了水力压裂裂纹遇层理后的扩展判据,并引入层理和页岩基质临界强度比指标,得到页岩水力压裂裂纹在不同地应力、层理方位和页岩层理及页岩基质强度条件下的裂纹扩展解析规律:随着层理倾角、地应力差以及页岩层理和页岩基质的抗拉强度比的减小,压裂裂纹遇层理时更易转向层理扩展。(3)考虑地应力场影响修正了诱导应力模型,在此基础上揭示了水力压裂主裂纹穿过层理后裂纹两侧诱导应力和压裂液滤失作用下页岩储层缝网形成机理:水力压裂裂纹尖端存在拉应力集中,裂纹尖端破坏模式为张拉破坏,水力压裂裂纹穿过后的层理和天然裂隙,在压裂液滤失作用下,易发生剪切破坏,形成次裂纹。(4)基于扩展有限元法,建立了页岩各向异性水力压裂复合损伤模型,开发了页岩各向异性损伤子程序和非均质页岩建模程序,通过数值模拟得到非均质各向异性页岩水力压裂裂纹扩展规律:非均质页岩水力压裂裂纹的扩展方向由地应力、层理方位以及层理和页岩基质强度决定,随储层地应力差、层理倾角、层理和页岩基质的抗拉强度比的增大,水力压裂裂纹更易穿过层理扩展,数值模拟结果与实验结果及理论分析结果一致。(5)通过二次开发程序实现了三维多裂纹参数化建模及分析自动化处理,水平井多簇压裂诱导应力对裂纹扩展影响规律的数值模拟得出:水力压裂裂缝诱导应力在裂缝两侧产生裂纹面法向压应力和走向拉应力,在裂缝尖端产生裂纹面法向拉应力和走向压应力,裂缝尖端两侧产生诱导剪应力;多簇压裂时缝间诱导应力叠加,裂纹在诱导应力影响下出现互斥偏转,呈非平面扩展形态;中间裂纹两侧诱导应力叠加,其扩展受边缘裂纹抑制。