页岩气大规模水力压裂将长时间、大范围扰动地层,存在诱发断层活化、破坏盖层完整性、压裂液渗泄污染地下水等风险,其安全和环境效应受到公众日益关注。其中,压裂涉及的裂缝起裂扩展和渗流与上述问题密切相关,所以有必要且亟需对页岩气水力压裂的人工扰动影响开展研究,以保障页岩气的安全开发,消除公众疑虑。与常规储层不同,页岩储层层理结构发育,导致页岩的力学行为、水力压裂裂缝起裂扩展及裂缝渗流等过程呈现复杂的特点。因此,本文紧密围绕含层理页岩水力压裂裂缝起裂扩展及非线性渗流这一主题,采用室内实验、理论分析和数值仿真等手段,系统研究了页岩的各向异性力学性质,分析了层理和临界起裂特征长度对页岩水力压裂裂缝起裂压力的影响规律,探究了页岩层理对水力压裂裂缝扩展形貌的影响以及页岩裂缝的非线性渗流特性。得到的主要成果和结论如下:（1）阐明了页岩张拉、单轴力学及破断能量的各向异性特征及演化规律。针对页岩开展了抗拉强度、单轴抗压强度和声发射实验测试,研究表明,垂直层理方向的张拉和单轴强度均大于其平行层理方向,且从垂直层理往平行层理角度变化方向呈现先减后增的变化趋势;页岩局部破坏模式较为复杂,巴西劈裂主要分为直线形、曲弧形和月牙形三种类型,单轴破坏主要以劈裂张拉破坏和剪切-张拉破坏为主;声发射波波形信号表明页岩整体上以剪切破坏为主,且随着层理角度的增加,剪切破坏的比例先增加后减小。研究结果可为后续实验分析和数值模拟建模提供参数和依据。（2）揭示了钻孔和层理夹角对页岩水力压裂起裂压力的影响规律和机制,建立了考虑临界起裂特征长度的页岩水力压裂起裂压力预测模型。开展了不同层理角度页岩的水压致裂实验,发现页岩起裂压力随层理角度的变化呈现先减后增的趋势,宏观上呈现为张拉破坏的单裂缝;通过数值仿真和实验发现,页岩近井筒周围基质中大孔增多,孔隙的连通性变好,存在明显的塑性损伤,不同层理方向页岩基质的损伤阈值差异是导致起裂压力变化的潜在原因;基于弹塑性理论建立了轴对称条件下含钻孔岩石的应力分布解析模型,结合水力压裂实验数据明确了龙马溪组页岩在围压15 MPa～25 MPa范围内的临界起裂特征长度在0.28 mm～0.56 mm之间,且随围压增加而增大;同时,建立了考虑临界起裂特征长度的页岩水力压裂起裂压力的预测模型,揭示了临界起裂特征长度、钻孔半径等对水力压裂起裂压力的影响规律。（3）阐明了页岩层理对水力压裂裂缝扩展形貌的影响规律。验证了水力压裂数值模型在水力压裂裂缝扩展和多裂缝流-固耦合响应等方面的有效性;同时,基于室内页岩水力压裂实验,数值仿真分析了水力压裂裂缝与层理的相互作用机制;通过CT扫描和图像数字化技术得到该地区页岩的平均层理间距为2.929厘米,层理倾角近似水平;进一步,通过三维数值仿真系统分析了地质因素和压裂施工参数等对页岩水力压裂裂缝垂向穿层扩展的影响规律,发现低应力差、低层理内聚力、低排量和低粘度条件下页岩层理面易于被水力裂缝打开,裂缝的垂向扩展高度不足,层理抗拉强度对裂缝垂向扩展的影响相对较小,表明层理主要通过剪切模式打开,此外,层理角度的增大有利于层理面的开启。（4）揭示了页岩裂缝的非线性渗流规律,建立了考虑裂缝细观结构演化的临界雷诺数模型和非线性渗流模型。研究表明,流体在页岩裂缝内表现出很强的非线性,裂缝内摩阻效应显著,且随着有效应力的增加,非线性出现的更早;同时,发现页岩裂缝中气体主要为过渡流,层流很少发生,在有效应力1 MPa～30 MPa的范围内页岩裂缝的临界雷诺数在1.80～102.88之间,且随着有效应力的增加而降低;进一步数值模拟得到了页岩裂缝细观结构（接触面积、空隙体积、接触分形、开度等）随有效应力的演化规律,观察到裂缝内流体流动的通道效应明显,流动路径曲折,裂缝开度的变化受接触面积和裂缝表面粗糙度的影响较大;并结合实验通过数值模拟分析了垂直层理裂缝和平行层理裂缝的各向异性渗流特性,两者的比值在0.463～1.735之间,各向异性不明显;进一步建立了考虑页岩裂缝细观结构演化的临界雷诺数模型和非线性渗流模型。