页岩气勘探开发对于保障我国油气安全具重要意义,国家对页岩气的开发利用高度重视,并制定了页岩气发展规划（2016-2020年）和配套政策[1]。页岩气的储集空间主要为纳米级有机孔隙,并主要以吸附状态赋存与其中,使用常规水力压裂方法难以获得经济产能。根据北美和我国的开发经验,水平井分段多簇大规模水力压裂技术是经济高效开发页岩气的必需手段,但目前的裂缝扩展理论研究仍难以有效指导工程设计。我国页岩储层的矿物组成变化大、天然裂缝发育,造成页岩具有较强非均质性和非连续性,导致水力裂缝在页岩储层中的扩展机理十分复杂,主要存在水力裂缝在非均质页岩储层中的扩展机理不明确、水力裂缝在非连续（含天然裂缝）页岩储层中的扩展机理不明确和多簇射孔起裂后水力裂缝同时竞争扩展机理不明确这三个主要问题。这三个主要问题也是限制我国页岩气压裂效果的瓶颈,亟需有效的理论研究手段解决这些难题。本论文依托于国家油气科技重大专项,基于相场法建立页岩水力压裂裂缝扩展模型,针对上述三个问题开展研究,揭示页岩复杂储层条件下的裂缝扩展机理,为提高页岩水力压裂改造效果提供理论指导。本论文根据页岩气水平井分段多簇压裂的特点,考虑页岩在外力作用下产生弹性能,导致岩体由完整状态逐渐损伤,直至完全破坏形成裂缝并产生耗散势的过程,推导了以扩散型裂缝为拓扑结构的裂缝密度函数、弹性能演化泛函、裂缝耗散势泛函和外力功泛函。根据能量守恒原理,以连续介质力学、断裂力学、损伤力学和变分原理等数学、力学理论为基础,建立了相场法裂缝损伤演化数学模型、页岩基质岩体应力场数学模型,二者形成了相场法页岩裂缝扩展数学模型。考虑压裂液经孔眼产生流量分配后进入复杂裂缝进行流动,并经过壁面孔隙和微裂缝滤失进入基质渗流的过程,基于页岩裂缝平板流动、基质达西渗流和基尔霍夫定律,建立页岩裂缝流动模型、基质渗流模型及其源汇项相关的多裂缝流量分配模型和滤失模型,形成页岩水力压裂流动系统数学模型。基于以上模型进行流动-应力-损伤耦合,建立了相场法页岩水力压裂裂缝扩展数学模型。根据基质和裂缝边界不断变化的复杂模型特征,进一步通过有限差分法离散,使用显式方法和超松弛迭代隐式方法结合进行数值求解,并使用C++平台编程实现。通过与Wu基于位移不连续法的双裂缝同时扩展模型进行裂缝扩展对比验证,证明该模型能够准确模拟裂缝扩展过程。运用本论文建立的相场法裂缝扩展模型,针对上述非均质页岩储层和非连续页岩储层裂缝扩展问题以及页岩储层多裂缝同时扩展的问题,分别建立了相应的数值模型,对裂缝的分叉、交互和竞争扩展规律进行研究。研究表明:在含软非均质条带的储层中,当原地主应力差为零且杨氏模量比（E条带/E储层）小于临界值0.25时,水力裂缝在进入非均质条带后发生分叉;在更大的主应力差下,裂缝不发生分叉。在含硬非均质条带的储层中,原地主应力差为零且杨氏模量比大于临界值2.5后水力裂缝发生分叉,且分叉出现在裂缝进入非均质带之前;随着主应力差的提高,发生分叉的临界杨氏模量比增加;在相同原地主应力差下,随着杨氏模量比的增加,裂缝分叉角度越大,控制的泄气范围越大。水力裂缝与单条天然裂缝交互时,模拟条件下的天然裂缝均被不同程度地开启。天然裂缝逼近角大于等于45°、主应力差等于0MPa、施工排量大于等于5 m3/min和压裂液粘度等于10mPa·s的条件有利于提高裂缝的控制范围和分叉裂缝长度的均匀性。明确了水力裂缝与大量天然裂缝交互扩展时,天然裂缝走向、施工排量和地应力差对网络裂缝带走向和展布的控制程度。连续性（无天然裂缝）储层在三簇射孔压裂时,随着簇间距增加,边部裂缝形态从弯曲逐渐趋于平直,三条裂缝均匀程度逐渐提高;随着施工排量提高,所有裂缝长度均增加,边部裂缝的整体转向角变大、弯曲程度加剧,裂缝均匀程度先增加后降低。基于裂缝形态和应力变化,得到模拟条件下的最优簇间距40m和施工排量15m3/min。在强非连续性（含大量天然裂缝）储层的三簇射孔压裂模拟中,明确了天然裂缝走向、施工排量对网络裂缝带走向和展布的控制程度。同时,基于模拟结果证实了连续性储层与强非连续性储层中的多簇射孔水力裂缝扩展的机理和最终裂缝形态存在本质上的不同。本论文基于相场法建立了页岩水力压裂裂缝扩展模型,该模型能够有效模拟页岩储层中的水力裂缝分叉、交互、转向等复杂现象。初步探索了利用相场法对非均质、非连续性页岩储层的裂缝扩展进行研究的手段和方法,为精细化模拟页岩压裂裂缝扩展行为提供的新的理论模型和工具,得到的复杂裂缝扩展规律为压裂施工参数优化设计提供了理论支撑。