页岩气主要赋存于纳米尺度的有机孔与无机孔内,该类孔隙具有尺度小、甲烷传输缓慢等特征。水力压裂有利于提升页岩气藏整体渗流能力,但仍无法解决纳米孔内甲烷扩散传输能力低的难题,致使页岩基块供气能力远低于裂缝内气体传输能力,开采初期气井产量递减快。为缩短页岩基块纳米孔内甲烷气体扩散路径、加速纳米孔内气体产出速率,页岩气藏迫切需要在更微观尺度实现增产改造,以进一步协调页岩气藏多尺度传输行为。针对这一工程问题,以四川盆地下志留统龙马溪组富有机质页岩为主要实验评价对象,分别采用稀硫酸、过硫酸铵溶液,通过化学反应人工诱导页岩碳酸盐矿物（方解石、白云石）向硫酸钙（石膏或硬石膏）转化,围绕“碳酸盐矿物转化过程页岩胀裂与自发裂缝扩展”开展研究,并结合页岩储层地质背景与水力压裂工程条件,初步提出了化学胀裂增加水力压裂页岩储层纳微米尺度裂缝密度的增产改造方法。通过开展上述研究,取得了以下主要研究成果与认识。建立了富有机质页岩碳酸盐矿物微组构定量表征方法。基于碳酸盐矿物酸性溶解速率远大于页岩其余造岩矿物的特点,使用3.0 wt.%～5.0 wt.%浓度稀盐酸在室温条件下溶解碳酸盐矿物,并在溶解前后分别利用X射线衍射、低压氮气吸附、扫描电镜原位观察、微CT成像（分辨率1μm）测试页岩矿物与孔隙结构变化,然后利用图像处理软件（Avizo）提取溶蚀孔参数。经本文实验证实,在48h反应时间内,仅碳酸盐矿物溶解形成孔隙,且孔隙尺度处于微米级,而其余造岩矿物保持良好稳定性;基于溶蚀孔微CT成像与Avizo定量统计结合方法,成功反演得到碳酸盐矿物的赋存状态、形貌、粒径、表面积等微组构参数。明确了页岩基块纳微尺度空间内碳酸盐矿物向硫酸钙转化的化学反应机理。实验发现即使水溶液处于硫酸钙欠饱和状态（即样品表面无晶体沉淀）,页岩内部仍转化生成大量硫酸钙晶体,扫描电镜、微CT扫描进一步证实硫酸钙能够原位替换碳酸盐矿物,并保存后者的空间分布位置、形貌特征,该现象完全符合矿物交代作用中的“固—液反应界面层溶液过饱和与溶解—原位沉淀同时发生”理论。实验证实了硫酸钙结晶应力诱发页岩胀裂的研究设想。二水硫酸钙晶体摩尔体积（74.31 cm3/mol）远大于方解石（36.94 cm3/mol）、白云石（64.35 cm3/mol）,后者转化为前者时诱发局部体积增大幅度分别为101%、15%;富有机质页岩基块致密,矿物颗粒排列紧凑,局部体积增大易诱发膨胀应力。通过工业CT、微米CT以及扫描电镜,在各种尺度页岩样品内部或表面均观察到明显的结晶胀裂现象与密集的新生微裂缝,证实硫酸钙结晶应力可以诱导页岩微裂缝形成与自发扩展（无需施加外力作用）。揭示了硫酸钙结晶诱发页岩胀裂的力学机制。硫酸钙结晶沉淀于碳酸盐矿物溶蚀孔内,并对孔隙壁面产生膨胀压应力,最终形成页岩拉张破裂,因此从孔隙内盐结晶与多孔介质力学理论出发,基于页岩理想形态孔喉,分别建立了可以计算单孔结晶应力与宏观拉张应力的物理模型。计算表明,在单孔尺度上,根据孔隙、喉道形态计算得到的结晶应力下限值为6～53MPa（此时晶体—溶液处于平衡状态）,而以结晶应力的浓度表达式计算时,该值普遍可达50 MPa以上,其转化为宏观拉应力后,仍可达数十MPa,极易诱发页岩胀裂。初步提出了化学胀裂增加水力压裂页岩储层纳微尺度裂缝密度的技术思路与实现方法。在天然裂缝破裂的二维平面简化模型基础上,计算了天然裂缝剪切、拉张破裂所需裂缝内净压力,分析了压后“焖井”期间利用结晶应力形成微裂缝的力学机制,并讨论了页岩储层碳酸盐矿物原位转化生成硫酸钙晶体的有利因素,论证了化学胀裂增加水力压裂页岩储层纳微米尺度裂缝密度的可能性。考虑到页岩储层存在结垢阳离子（钡）,直接利用稀硫酸改性现用压裂液可能造成硫酸钡在近井带水力裂缝内沉淀、堵塞,本文推荐使用过硫酸盐作为H+、SO42-离子的供应来源。过硫酸盐具有强氧化性,与页岩基块内还原性矿物（如黄铁矿、含Fe2+绿泥石）发生氧化反应时,能够产生足量H+、SO42-离子,诱导方解石与白云石快速、原位转化为胀裂所需的硫酸钙晶体,该过程又可称之为氧化胀裂,从而最大程度避免硫酸钡在近井带水力裂缝内沉淀、堵塞。