水力压裂技术起初作为一种油气井增产技术,现在已经被广泛应用到地热能生产、核废料地下处理,水坝及边坡失稳控制等众多领域。充分认识主应力差、天然裂缝的存在等因素对水力压裂起裂和扩展规律的影响对合理设计和优化水力压裂方案,提高水力压裂效率具有重要意义。开展水力压裂相关室内试验和数值模拟试验是有效认知水力压裂扩展规律的重要手段。考虑到使用原岩或砂浆等类岩石材料开展水力压裂室内试验时,由于材料不透明的性质,使得完整地观察水力裂缝扩展形态变得困难。因此本文通过使用透明类岩石材料开展水力压裂室内试验,该透明材料能够完整地观察到水力裂缝的扩展形态。同时,开展水力压裂离散元数值试验,进一步认识水力压裂缝网的形成机理。透明类岩石材料的制作是后续开展水力压裂室内试验的基础。作者通过查阅文献决定使用树脂材料完成透明类岩石材料的制作,而树脂和固化剂的种类和配比是决定树脂材料性质的关键。因此,为了得到一种能够有效模拟真实岩石的透明树脂材料,作者首先展开树脂材料的配合比试验,通过反复调整配比,作者得到了一种在室内下拉压比能够达到1/9.5的透明类岩石材料。通过使用该材料开展单轴压缩试验和单轴劈裂试验,计算得到该透明类岩石材料的单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比和内摩擦角等物理力学参数,通过对比真实岩石和砂浆等类岩石材料的物理力学参数,证明了该透明树脂材料可以模拟真实岩石开展相关试验研究。本文使用上述得到的透明类岩石材料,设计4种工况开展水力压裂室内试验来探究主应力差的大小对试件起裂压力和水力裂缝扩展形态的影响。通过统计试验后得到的试件起裂压力和观察试件中的水力裂缝扩展形态得到如下结论:保持水平大主应力大小不变,随着水平小主应力的减小,试件起裂压力越小,即试件越容易发生水力压裂。其次,水力裂缝沿水平大主应力方向扩展,当水平主应力差较小,即三向应力较为接近时,水力裂缝主要沿井筒向上和大主应力方向扩展;而随着水平主应力差增大,除了沿井筒方向产生水力裂缝,在井筒底部开始产生水平贯通破坏面。本文结合离散元软件二维颗粒流程序(PFC2D)开展水力压裂数值模拟试验,对水力裂缝形成和扩展机理展开进一步研究。通过对墙体施加速度并结合伺服机制,对4种不同主应力差下试件的水力压裂试验进行数值模拟得出如下结论:随着主应力差的增大,试件起裂压力降低,同时水力裂缝沿大主应力方向扩展的规律愈发明显。构建含天然裂隙的真实地层离散元数值模拟模型,并开展水力压裂试验,研究了主应力差和天然裂缝倾角对水力裂缝起裂压力和水力裂缝扩展形式的影响,该数值模拟试验结果表明:天然裂缝倾角的变化对水力裂缝起裂压力影响较小,随着主应力差值的增大,水力裂缝起裂压力减小,同时观察到三种水力裂缝与天然裂缝相互作用形式。通过使用层状岩石水力压裂离散元数值模拟试验模型,研究了主应力差和岩层倾角对水力裂缝起裂压力和水力裂缝扩展形式的影响,该数值模拟试验结果表明:随着主应力差值的增大,试件起裂压力值减小。在相同应力水平条件下,岩层倾角较小时,水力裂缝更容易起裂,并沿岩层方向扩展,而岩层倾角增大至45°后,起裂压力明显增大。