中国页岩气资源储量丰富,但复杂地质条件与压裂技术瓶颈导致裂缝扩展控制困难、裂缝网络构建效率低等问题,严重制约资源开发效益。因此,深入研究和模拟层理性页岩气储层中的水力裂缝扩展规律显得尤为重要。然而,传统的理论与数值模拟研究存在显著局限,现有的大部分研究方法仍考虑单一的I型断裂韧性假设,忽略了考虑II型断裂韧性的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,从而限制了裂缝扩展预测的准确性。本研究以四川盆地G区龙马溪组层理性页岩为研究对象,基于室内岩石力学实验与裂缝扩展理论分析,结合有限离散元数值模拟方法,系统探讨了复合断裂调控作用下页岩储层水力裂缝起裂与扩展机制。主要研究工作包括: (1)通过X射线衍射技术,分析了G区龙马溪组页岩的矿物组分特征,发现页岩中以石英为主的脆性矿物含量在70%以上,脆性较高;通过对0°、30°、45°、60°、90°层理角度的页岩开展单轴压缩实验和巴西劈裂实验,发现页岩的单轴抗压强度、抗拉强度、破坏模式以及拉压强度比呈现出明显的各向异性;对不同预制偏转角度的无层理页岩进行了三点弯曲加载实验,测定了页岩基质的I型断裂韧性与不同预制偏转角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂韧性。 (2)分析了Ⅰ-Ⅱ复合型断裂裂缝尖端区域的应力场,通过修正的摩尔库伦准则、最大周向拉应力准则及其考虑T应力的最大周向拉应力准则,构建了复合断裂模式下裂缝起裂的临界条件判据,并推导了裂缝尖端塑性区演化方程;计算得到了不同复合断裂、拉压强度比以及T应力下的裂缝尖端塑性区域;讨论了三种断裂准则的适用范围;系统阐述了起裂后水力裂缝动态扩展遭遇天然裂缝的判据。 (3)基于室内实验结果进行了有限离散元参数分析和标定,建立实验条件下层理性页岩单射孔数值模型,开展了层理性页岩水力裂缝扩展行为的数值模拟研究,进行了不同层理角度下侧压力系数、层理面强度以及复合断裂对水力裂缝扩展特征的影响研究,系统分析了其断裂类型特征与水力裂缝在层理中扩展特征。 (4)基于工况背景,建立工程条件下的层理性页岩垂直方向与水平方向的储层多射孔数值模型,系统讨论了射孔之间水力裂缝的链接模式,并得到了不同射孔间距之间水力裂缝的链接模式,为优化射孔参数提供科学依据,由此提出了工程背景下最优化间距为16孔/m。