在当前我国对天然气需求不断加大、大力倡导“绿色发展”和北美“页岩气革命”的背景下,页岩气以逐渐成为我国天然气开发的热点,其高效开发对于调整能源结构和保障能源安全具有重要的意义。页岩储层孔隙度小、渗透率差和非均质性强等特点,只有对储层进行压裂改造,形成复杂的体积缝网,才能提高气体产能。而当前无法对深部地层水力裂缝起裂扩展和裂缝形态特征有效观察,致使压裂施工过程中裂纹扩展形态动态调控和压裂效果评价等技术有待提高。本文针对上述问题,开展了储层岩芯分析、室内常规力学实验、室内大型物理模拟试验和数值模拟研究,研究工作具体包括如下几方面:(1)通过X射线衍射和SEM电镜扫描分析页岩的矿物成分和微观结构特征,结果表明:页岩各小层的脆性指数在55-76%之间,平均值为66%,储层脆性较高,适合压裂改造;页岩内部矿物颗粒间没有明显大孔隙存在,胶结良好,孔隙度较小,自身具有的层状结构和层状薄片矿物黄铁矿的存在,是页岩表现出明显各向异性的根源。(2)通过对不同小层的页岩进行单轴和三轴压缩实验,认识了小层页岩之间的物理力学性质差异,结果表明:单轴压缩下各小层的页岩的应力-应变曲线均表现出显著的脆性特征,各小层页岩脆性都随围压增加而逐渐减弱;从纵向由上往下看各小层页岩,储层的杨氏模量和泊松逐渐变大和变小,储层脆性逐步增大。(3)开展室内水平井水力压裂物理模拟试验研究,通过预制的环向割缝的方法,实现了单簇和双簇横向水力裂缝的起裂和扩展。通过声发射定位监测、泵压曲线分析和试样压后剖切分析等手段,建立了识别水力裂缝起裂和破裂的方法,将净压曲线分为:增压阶段、水力裂缝起裂和扩展阶段和裂缝渗流阶段;总结不同排量和簇间距下横向水力裂缝形态特征和扩展特征(分叉、转向和断续扩展),监测到声发射事件空间分布和试样的水力裂缝的最终展布有较好的一致性;提出了页岩储层中多簇水力裂缝的形态模型,将其分为:裂缝连通区、近井裂缝区、远井裂缝区和簇间裂缝干扰区4个特征区域。(4)根据焦石坝地区页岩气藏的储层特性和地应力条件,建立了考虑页岩各向异性三维水力压裂模型,分析簇间距、地应力和层理强度和密度对裂缝形态和扩展的影响,结果表明:地应力差越小和层理强度越大时,主压裂缝和次生裂缝扩展延伸越,沟通更多层理面,最终形成裂缝复杂程度越高;从节约成本和提高效率的角度看,簇间距为18m时的压裂模式更优,形成的裂缝形态更为复杂;相同体积内,层理密度越大,裂缝形成复杂缝网所需的压裂液排量和压裂能量越小。在层理强度适中情况下,层理密度越大,体积压裂效果越好。