页岩作为一种多孔介质,储层中存在大量的石英、硅酸盐等矿物。页岩储层的地质属性、力学行为和工程性质是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素,各向异性叠加效应导致不同区域的岩石力学特性不同,极易造成钻井过程中的井壁失稳问题,对水力压裂支撑剂的支撑裂缝效果也会产生较大的影响。目前页岩储层岩石的物理力学特征分析主要是以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想或难以获取等问题。对页岩微观力学机理认知的缺乏,使人们难以明确页岩产生各种变形破坏的机理,进而影响实际工程。为能够合理、准确地分析页岩微小尺度下的力学特性,并对宏观力学响应做出有效的判定,本文围绕上述问题开展了页岩多尺度力学分析,取得如下成果和认识:(1)开展了页岩气储层地质特征与多尺度组分模型研究。分析了四川盆地长宁-威远目标工区的地质特征,采用高压压汞、氮气吸附与核磁共振法分析了页岩有效孔径分布特征,测试了页岩的矿物组分;通过对页岩不同尺度矿物的分析研究,建立了页岩多尺度组分模型,提出了不同尺度下的分析参数(堆积密度、非粘土矿物体积分数),为页岩的多尺度组分-力学耦合研究奠定了基础。(2)开展了大量的页岩微/纳米压入实验,针对力学测试中存在的问题,通过仪器设备、岩样特征、参数设定等方面的研究,确定了页岩微/纳米压入实验参数。压头曲率半径对纳米压入较为敏感,对微米力学测量的影响很小;实验参数设定的差异对测量结果影响较大,在实验开始前需明确其准确性。系统分析了基于压入实验的弹性模量、硬度测量方法,明确接触刚度-接触深度法更适合于页岩的多尺度研究。(3)明确了页岩微尺度力学特征,网格化纳米压入的弹性模量和硬度值较为收敛,黏土表观性质较为平均,网格化微米压入的弹性模量在一定范围内较集中,其统计平均可以较好的预测宏观模量。基于多尺度组分模型,建立了页岩细、微观尺度下的组分-力学耦合关系,提出了基于组分的力学评价方法,并确定了页岩纯黏土的固有弹性模量和硬度属性。研究了页岩压入过程中产生的微断裂,评价了基于微米压入实验的页岩显微Ⅰ型断裂韧度。(4)建立了页岩多尺度弹性均匀化模型。基于量纲分析和微观多孔介质理论,建立页岩微观尺度的弹性模量-组分模型,分析了多孔介质的均匀化刚度张量;基于等效夹杂、特征应力与应变分析和Eshelby相变应变场理论,建立细观等效基质-夹杂相的均匀化模型。(5)建立了页岩多尺度强度均匀化模型。基于D-P准则和最大耗散能原理,通过变分、有效应变速率等方法,构造应变速率能函数、Π函数与应变速率能的极限差值函数,建立基于微观均匀化Π函数模型的强度准则;在此基础上应用相同理论,考虑存在夹杂相,建立细观均匀化Π函数模型。(6)基于微/纳米压入实验和力学均匀化模型、页岩多孔黏土组分分析,开展了微观尺度下页岩的多孔黏土压入有限元模拟,推导了弹性参数模型,评价了硬度、摩擦系数、内聚系数和堆积密度的耦合关系,通过编写了四因素拟合求解程序代码,建立了微观尺度下的硬度-强度求解模型;引入夹杂相体积分数开展细观有限元模拟,分析含夹杂相的细观弹性模量和硬度,评价了硬度与摩擦系数、内聚系数、堆积密度和夹杂相体积分数的耦合关系,通过编写了五因素拟合求解程序代码,建立了细观尺度下的硬度-强度参数求解模型。最后,以四川盆地长宁-威远示范区龙马溪组页岩进行实验验证,证实了该方法计算结果的正确性。