页岩气作为一种非常规油气资源,符合当下清洁低碳、安全高效的能源利用趋势。作为“十四五”规划和2035年远景目标中的重要一环,页岩气的勘探开发对于我国保障能源供给并推进能源革命具有重要作用。在页岩气的开发过程中,页岩剪断破坏下的各向异性特征是不能忽视的问题,由于页岩脆性极强,在水力压裂过程中很容易被剪断,这会严重影响裂缝扩展的丰富程度和准确性,从而限制页岩气在储层中的运移路径,导致页岩气开采产能低下;且页岩的各向异性特征会影响其强度和破坏模式,增加了井壁坍塌的风险,这不利于页岩气开发的安全稳定。本文以储层页岩为研究对象,开展页岩三轴压缩试验和直剪试验,描述了复杂荷载作用下的页岩力学响应各向异性特征,并结合声发射技术,研究页岩剪断破坏过程中的能量演化机制并探讨其破坏机理,进一步基于细观力学分析方法,着重细观能量演化分析,揭示页岩剪断破坏过程中的各向异性力学行为。主要研究内容和成果有:（1）开展复杂荷载作用下的页岩力学响应研究。不同层理页岩的三轴压缩试验结果表明:页岩强度和弹性模量受层理角度影响较大,页岩的抗压强度呈现两边高、中间低的“U”型变化趋势,60页岩抗压强度最小,90页岩的抗压强度最大;层理角度对页岩裂纹起裂应力的影响很小,但对裂纹损伤应力的影响很大,层理角度是页岩最终破坏模式和破坏机制表现出强烈各向异性的主要影响因素;围压的增大会增大页岩的裂纹损伤应力,且0和90页岩的增加速率最快,层理的存在对裂纹的扩展起到了控制性作用。同时,不同层理页岩的直接剪切试验表明:页岩的剪切全过程表现出明显的脆性特征,四阶段特征明显,分别为剪切位移增加较快、剪应力增加较慢的压密阶段,剪应力迅速攀升阶段,剪应力跌落的破坏阶段,残余强度阶段;不同层理角度页岩的黏聚力和内摩擦角不相同,0、30、45、60页岩的黏聚力大小分别为12.1MPa、12.8MPa、10.5MPa、17.4MPa,摩擦角分别为22.5、20.6、26.6、22.8;在相同的法向应力条件下,60页岩的抗剪强度最高,黏聚力最大;当法向应力增大时,页岩的峰值剪应力和残余强度均增大,即提高法向应力可以增大试样的抗剪强度。（2）结合声发射技术,采用振铃计数和能量两个声发射特征参数深入研究页岩剪切破断过程中的损伤变化和能量演化规律。其结果表明:页岩剪断破坏过程的声发射特性可划分为压密阶段、裂纹萌生且稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段;在压密阶段,累计振铃计数和累计能量很小,裂纹数目少;当剪切应力增加到峰值应力1/3处时,累计振铃计数逐渐呈阶梯式增加,而累计能量缓慢增长,此时试样内部出现了裂纹起裂并逐渐扩展;试样破坏瞬间,剪应力骤降,累计振铃计数和累计能量急剧上升,到达残余强度阶段后试样内不再有新裂纹产生,累计振铃计数和累计能量趋于平稳。且层理角度对页岩声发射特征量影响很大,15和75页岩的累计振铃计数和能量释放频率均大于其他角度,60度页岩破坏后产生的累计振铃计数最少。当法向应力逐渐变大时,声发射活动更加活跃,所有角度页岩振铃出现的频率越来越高,累计能量变大,试样内部的损伤加剧,30和60试样的破坏时间提前。剪切速率变大时,所有角度试件的破坏时间会缩短,剪切速率的增大对试件的抗剪强度有一定的削弱作用。（3）在页岩剪断破坏试验研究的基础上,基于颗粒离散元PFC2D开展了页岩破断的各向异性力学行为研究。其结果表明:不同层理角度页岩的裂缝演化过程具有明显的各向异性特征,页岩的裂纹基本自剪切面的两端开始萌生,0页岩的裂纹只在水平剪切面上产生,裂隙面比较平整,试件在水平剪切面上发生剪切滑移破坏;30°、45°、60°页岩的裂缝沿层理角度方向发展、贯穿层理面,并扩展到基质体中。具体为:30°页岩裂缝自试样中心向两头扩展,45°页岩左端裂缝向右上方扩展,右端裂缝向左下方扩展,60°页岩裂缝在三道平行裂隙带上分别向两头扩展。90°页岩剪切破裂面凹凸不平,摩擦导致的锯齿痕明显,受张拉应力和剪切应力的共同作用。宏观裂缝扩展规律与细观能量演化机制相对应,在弹性压缩变形阶段,耗散能几乎为零,试样无裂缝产生,边界能指数型增加且全部转化为颗粒应变能和平行粘结应变能储存在试样内部;之后耗散能稳定上升,摩擦耗能占据了耗散能的全部,裂纹逐渐起裂并扩展;到达试件的峰值应力后,耗散能急速上升而应变能瞬间回落,裂纹发生不稳定扩展并逐渐贯通,模型试样出现颗粒间滑移并最终破坏。