随着我国能源需求与日俱增,开发更深部油气资源成为能源领域科技创新的重要方向。深部资源储量丰富,勘探开发潜力巨大,逐渐成为我国油气供应的重要接替领域。高温、高围压、高地应力差的深部储层赋存条件下,岩石变形破坏行为具有塑性增强的力学特征,导致水力裂缝扩展机理尚不明确,压裂改造难以达到预期效果。本文从深部储层塑性增强的特点入手,以川南地区龙马溪组页岩为研究对象,从深部储层弹塑性力学表征以及水力裂缝扩展机理两个方面开展研究,以期为深部储层压裂改造设计提供理论支撑,主要开展的研究工作如下:首先,基于深部储层赋存环境特点开展了高温高压岩石压缩实验,获得了不同温度、围压单因素及双因素耦合作用下岩石的变形、强度、破坏特征,明确了温度和围压对岩石力学性质的影响规律。研究结果显示:围压是岩石塑性增强的主控因素,温度是围压作用下的影响因素。在围压和温度共同升高的条件下岩石表现出强度增加和塑性增强的特征,但两者耦合条件会导致岩石产生热致微裂纹,相对于围压单独作用时强度发生劣化,塑性变形更加显著。针对深部储层高温高压耦合条件下岩石具有非线性塑性强化的弹塑性变形特征,基于Drucker-Prager屈服准则,构造了采用一阶指数衰减函数形式的强化函数,建立了考虑非线性强化的弹塑性本构模型。随着埋深增加,温度和围压共同升高对塑性屈服和非线性强化具有显著影响,通过ABAQUS有限元软件的二次开发实现了深部储层岩石弹塑性力学特性的有效表征。其次,创新性地设计搭建了高温高压耦合环境下岩石断裂可视化实验系统,开展了不同温度单因素以及温压双因素耦合条件下的岩石断裂实验,采用数字图像相关技术监测裂尖断裂过程区的演化发育过程,根据岩石断裂过程中整体响应与裂尖局部位移场的关系,分析了温度和围压对深部储层岩石裂尖断裂行为的影响规律。研究结果显示:常压条件下180℃以内页岩峰后软化阶段黏聚力-裂缝张开位移关系趋于线性,具有脆性断裂特征,裂尖局部塑性增强,无围压作用时的高温条件下裂尖仍为小范围屈服。高温高压耦合作用下,裂尖附近基质材料大范围塑性屈服导致裂尖发生钝化,峰后软化阶段黏聚力-裂缝张开位移关系呈上凸型非线性趋势。基于黏聚裂缝模型理论,通过引入指数系数控制峰后非线性程度,建立了非线性黏聚裂缝断裂本构模型。随着埋深增加,温度和围压共同升高导致峰后软化关系的非线性程度增加,通过ABAQUS有限元软件的二次开发实现了深部储层岩石非线性断裂行为的有效表征。然后,基于渗流-应力-损伤耦合原理建立了水力压裂扩展模型,将考虑非线性强化的弹塑性本构模型和非线性断裂本构模型分别引入储层基质单元和裂缝扩展单元,形成了深部储层水力裂缝扩展数值模拟方法,分析了深部储层水力裂缝扩展特性,以及沟通天然裂缝的行为。研究结果显示:与线弹性储层条件相比,深部储层弹塑性条件下水力裂缝周围出现明显塑性变形,阻碍了水力裂缝扩展,裂缝扩展压力增加,形成短而宽的裂缝,明确了塑性增强导致裂缝尖端发生钝化,应力集中效果减弱、裂缝扩展阻力增加是深部储层水力裂缝的扩展机理。高地应力差是限制深部储层裂缝改造体积和复杂程度的主控因素,降低地应力差可减弱塑性变形对水力裂缝扩展的阻碍,也可以促进天然裂缝开启,因此利用多簇裂缝间诱导应力来改变局部地应力差,是提高弹塑性水力裂缝规模和促进复杂裂缝形成的有利条件,为水平井分段多簇压裂提供设计思路。最后,建立了深部储层水平井分段多簇裂缝竞争扩展模型,考虑了段内多簇裂缝间应力干扰、射孔眼摩阻及井筒与裂缝间流体传递的动态分配,分析了压裂参数、射孔参数对段内多簇裂缝竞争扩展的影响规律,并从应力场改造的角度分析了不同压裂方式及段间距离对多段裂缝扩展的影响规律。研究结果显示:适当地减小簇间距或增加簇数有利于降低局部地应力差,减弱塑性变形对水力裂缝扩展的阻碍,但近间距不利于多簇均匀扩展。通过提高注入排量和粘度、减小射孔眼数量及采用非均匀射孔可以促进多簇均匀扩展。分段压裂过程中采用交替压裂方式的应力改造更加充分、波及范围大,可有效降低后续压裂段的局部地应力差,减弱塑性变形阻碍,通过合理地减小段间距离可有效地促进深部储层弹塑性水力裂缝扩展。基于弹塑性水力裂缝扩展机理分析,将工程、地质因素-塑性影响-裂缝扩展相关联,为深部储层分段多簇压裂改造设计提供理论依据。