随着全球范围内的常规油气藏产量的日益下降,非常规油气藏如页岩油藏的勘探开发开始进入到科技工作者的视野中。由于页岩油储层具有高致密、低渗透的典型特征,因此在开采此类油气藏的过程中需要实施相应的增产措施。水力压裂技术是近年来针对有效开采页岩油的的核心工艺措施之一,其主要思想是通过注入一定特性的压裂液使地层裂开,使地层形成尽可能多和复杂的具有强导流能力的人工裂缝网络通道,以此来提高油气产量。为了获取页岩的基础力学性质和压裂后裂缝起裂扩展的规律,进行了密度试验、巴西劈裂实验、三轴压缩试验、X射线衍射试验以及室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟实验。与此同时,基于ABAQUS软件平台利用有限元的方法建立数学模型,研究了页岩地层的起裂压力和延伸压力,分析页岩的力学参数和施工参数对压裂后裂缝起裂扩展的影响规律。主要研究内容如下:(1)以泌阳凹陷页岩油储层为例,开展X射线衍射实验对矿物组分进行分析;开展岩石密度测试、岩石抗拉强度测试,岩石三轴力学参数测试,获取抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数;还原原始地层条件,进行差应变室内实验求得地应力大小。结果表明:泌阳凹陷储层岩石矿物组成成分、杨氏模量、泊松比之间分布差异较大,储层的整体非均质较强,水平应力差异系数在0.07-0.22之间,得到的力学参数为数值模拟实验提供了基础数据。(2)建立了一种综合考虑强度测试和全应力-应变曲线来评价泌阳凹陷储层可压性的方法。结果表明:泌阳凹陷储层可压性较好,具备形成裂缝网络的能力。(3)建立了一套利用井下岩心,综合岩石矿物组分测试、岩石抗拉强度测试、岩石三轴弹性参数测试、地应力测试和真三轴裂缝扩展实验为一体的裂缝扩展形态分析方法,研究了页岩油储层压裂裂缝扩展的规律和影响因素。结果表明:减小水平地应力差异系数、增大井筒轴线与层理的夹角、降低压裂液排量以及降低压裂液粘度均有利于复杂裂缝的形成。(4)以断裂力学基础,采用最大拉应力理论、断裂韧性理论结合叠加原理的方法对水力压裂过程中裂缝起裂和扩展的机理进行了理论分析,分析总结了三种经典裂缝类型的起裂和扩展的判据。(5)基于ABAQUS数值模拟软件平台,结合渗流力学、断裂力学等基础理论,在流-固耦合方程和损伤力学的基础上利用有限元的方法、全局嵌入的cohesive单元法,建立了泌阳凹陷页岩油储层的裂缝扩展数值计算模型,验证了物理模拟实验中的施工参数对裂缝扩展影响规律的准确性,弥补了物理模拟实验中力学参数分析的不足,研究了力学参数对裂缝扩展的影响,得出如下结论:水平差应力系数越大、压裂液排量越大、压裂液粘度越大、抗拉强度越大、泊松比越小,形成网络裂缝的可能性越大。