全球页岩气资源丰富,中国页岩气储量全球居首,水力压裂是目前国内外广泛发展和应用的页岩气改造增产技术,能否形成复杂的水力压裂裂缝网络是评判水力压裂是否有效的标准之一。页岩具有典型的非均质、非连续特征,其内部存在节理、层理、裂隙、微孔洞、微裂纹等大量缺陷,致使水力裂缝在页岩内部的扩展规律极为复杂。因此,从机理上分析和掌握水力裂缝在含缺陷页岩中的起裂及扩展规律,对于实施压裂前的可压性评价、压裂后的产量预测及实现水力压裂改善低渗透页岩储层,从而实现页岩气的大规模、商业化开发有重要的理论和现实意义。本文分析了含缺陷页岩受载损伤破坏过程中的力学特征、破坏特征及超声波特征,建立含缺陷页岩损伤本构模型,探讨水力裂缝与缺陷相交准则,建立含层理及天然裂缝簇页岩水力压裂数值模型,进行含层理及天然裂缝簇页岩水力压裂扩展路径、破坏方式、相交方式及影响因素等分析,论文主要研究成果及创新如下:1.通过试验和数值模拟的方法,探讨了含层理页岩的水力裂缝网络形成特征,页岩内部水力裂缝网络主要由沿弱层理面的裂缝和最大主应力方向的裂缝构成,同时包括其他方向次生裂缝,沿最大主应力方向的裂缝在一定程度上消弱了沿层理面的摩擦力,促使沿层理裂缝的加速扩展,同时地应力差的存在可使沿层理方向的水力裂缝受到挤压出现闭合。2.建立水力裂缝与多级天然裂缝簇相交的数值模型,分析了天然裂缝长度、水力裂缝与天然裂缝逼近角及入射流量等对水力裂缝与天然裂缝簇相交扩展的影响。结果表明,逼近角越大、水平地应力差越大、天然裂缝长度越长,水力裂缝与天然裂缝相交越易发生打开天然裂缝并沿其双边扩展的情况;随逼近角、水平地应力差、天然裂缝长度减小,水力裂缝与天然裂缝相交由打开天然裂缝并双边扩展逐渐转变为打开并单边扩展,最后变为直接穿过天然裂缝扩展。3.分析含层理及天然裂缝缺陷的页岩水力压裂后页岩破坏方式。结果表明,在射孔端部水力裂缝通常以混合破坏形式起裂并以剪切破坏方式为主,在分叉初始端通常以混合破坏方式起裂,与层理相交后发生沿层理方向的转向,在交会处仍以混合方式开裂,然后以剪切破坏方式向前扩展;当大逼近角和高地应力差时,水力裂缝与天然裂缝相交的初始破坏方式以拉伸破坏为主,过程破坏方式以混合破坏方式为主;当小逼近角和低地应力差时,水力裂缝与天然裂缝相交的初始破坏方式为剪切破坏或混合破坏方式,过程破坏方式主要以剪切破坏方式为主。4.在已有水力裂缝与天然裂缝相交扩展形式的分类基础上,通过数值模拟分析方法,将水力裂缝与天然裂缝相交扩展方式进一步健全、细化,主要增加了单边打开天然裂缝并扩展及打开天然裂缝并扩展同时分叉等几种情况,最终将水力裂缝与天然裂缝相交扩展形式划分为10种情况。5.引入cohesive单元全局嵌入的方法,并将之用于含层理及天然裂缝的复杂页岩水力裂缝起裂及扩展数值模拟中,结果表明此方法能较好地实现裂缝的起裂、延展、转向、分叉、闭合、相交等复杂行为的模拟,使模拟更接近实际工程真实情况。本文引入的cohesive单元全局嵌入的模拟方法、水力裂缝与层理及天然裂缝相交破坏方式及水力裂缝与天然裂缝相交扩展方式,可为研究水力压裂技术及相关理论研究提供一定参考和指导。该论文有图107幅,表15个,参考文献138篇。