随着全球经济发展,能源消耗持续攀升与不可再生资源短缺、环境污染、生态破坏的矛盾日趋激化,由于页岩气兼具高效、清洁、储量丰富的优点,其作为一种新型非常规油气资源的地位将日益突出。然而,我国页岩气的采收率明显低于北美,主要在于我国储层页岩层理明显,天然裂缝发育,赋存环境复杂,压裂过程的强扰动诱导水力裂缝的扩展路径复杂多变,裂缝网络的形成规律难以准确把握。本文以现场采集的龙马溪组页岩作为研究对象,在试验的基础上基于颗粒离散元软件PFFC2D建立储层页岩数值模型,分别开展了三轴压缩、多场耦合及水力压裂过程数值模拟分析,从细观尺度研究荷载作用下的储层页岩力学响应特征、渗透演化过程及裂缝扩展规律,主要研究内容如下:（1）通过开展龙马溪组页岩三轴力学试验,得到不同荷载组合下的页岩力学响应,建立基于颗粒流离散元的页岩模型,标定该模型细观参数并验证数值模型的可靠性。进一步,基于标定的数值模型深入研究不同层理角度页岩在不同围压下的力学特性,其结果表明:随围压的增大,页岩的抗压强度、弹性模量都随之增大,泊松比会随之降低且降低速率逐渐变小;页岩的弹性模量随层理角度的增大逐渐增大,而抗压强度及泊松比都随层理角度基本呈“U”型变化,页岩各向异性明显。（2）进一步改进Cundall等开发的颗粒流离散元流固耦合算法,提出使用几何图形定义流动管道替换接触定义流通管道的流固耦合分析技术,解决基本算法中因为接触破坏而流动管道失效的问题,可以真实描述页岩破裂成缝后的优先导流性。进一步,基于储层页岩的渗透试验,验证改进流固耦合模型准确性。（3）基于改进的流固耦合模型研究不同围压组合渗透压的储层页岩渗透特性,且结果表明:储层页岩层理倾角对初始渗透率有着重要的影响,当围压一定时,储层页岩初始渗透率随层理角度增大逐渐升高,而在较小围压时,这种影响程度会加强;当围压一定时,层理倾角为60°、75°、90°时,初始渗透率随渗透压的增大而增大;当渗透压一定时,层理倾角在60°左右时,初始渗透率随围压的增大而减小;此外,不同围压组合渗透压的储层页岩破坏裂缝形态差异显著,在高围压高渗透压下,储层页岩破坏比较彻底,微裂缝较多,以X型剪切破坏或拉-剪混合破坏为主,在低围压低渗透压下,储层页岩的破坏大多沿层理面形成剪切破坏。（4）基于如上改进的颗粒流流固耦合模型,探讨水力压裂过程中流动开度的确定,构建考虑流固耦合效应的储层页岩水力压裂细观数值模型并验证其可行性。进一步开展多因素影响的储层页岩水力压裂过程研究,其结果表面:对于完整页岩,随注水速率的增大,页岩的起裂注水压力逐渐降低,且降低速率逐渐下降;不同地应力对裂缝的扩展差异显著,在两水平主应力相等的情况下,容易形成三条夹角互等的水压裂缝,随着两水平主应力差的加大,水压裂缝逐渐演变朝向最大主应力方向延伸,并扩展至模型边界;不同水压对裂缝扩展具有不同的影响,在较大注水压力下,水流量的传递明显落后于裂缝的扩展,裂缝的扩展主要依靠基质应力的传递,而在较小注水压力下,水的流动紧跟裂缝的扩展,裂缝的扩展主要来自水压的作用。对于含有层理的页岩,注水速率对起裂压力的影响与完整页岩相同,但整体起裂压力较完整页岩有所下降;地应力的不同对层理页岩的影响较完整页岩较为相似,有所不同的是,层理的存在对裂缝具有一定的引导或阻碍作用,当两水平地应力差距较大时,沿着最大水平地应力方向发展的裂缝容易穿透层理扩展,而当地应力相差不大时,裂缝的扩展容易被层理所引导;不同的注水压力下,水流量的传递会在层理处停滞,而裂缝会被层理所引导。