川渝地区不同埋深龙马溪页岩储层应力差异大、页岩强度和脆性等力学参数变化大,采用水平井分段压裂时受层理和天然裂缝的影响,地层破裂压力高、起裂和延伸规律存在显著差异,亟待通过室内物理模拟实验研究掌握压裂施工可控参数优化设计依据。因此,本文开展真三轴水力压裂物理模拟实验,分析重庆涪陵焦石坝现场泵压曲线的破裂特征和压力响应,研究自然因素(水平地应力差和天然裂缝)和施工因素(泵注排量、压裂液粘度、压裂方式和射孔参数)的影响下,水力裂缝在页岩储层水平井中起裂机理和扩展规律。本文研究成果如下:(1)不同水平地应力差下页岩储层中的水力裂缝扩展行为和裂缝形态在低水平地应力差下,水力裂缝扩展行为易受天然裂缝的影响,主要表现为转向扩展和转向并穿透扩展,形成三种主要的裂缝形状:简单裂缝、复杂裂缝和裂缝网络。而高水平地应力差有效控制水力裂缝扩展走向,难以产生复杂裂缝网络,主要形成四种裂缝形态:横切缝、天然裂缝开启层理面、横切缝开启层理面与横切缝开启天然裂缝和层理面。(2)水平井螺旋射孔压裂中水力裂缝起裂方式和扩展行为水平井螺旋射孔压裂中水力裂缝从射孔根部起裂,沿着最大水平主应力方向扩展时,受不同水平地应力差和不同射孔参数的相互影响,主要形成三种裂缝形态:单一平整裂缝、层状型裂缝和螺旋型裂缝。在低射孔密度和小射孔相位条件下,裂缝形态为单一平整裂缝面,而高射孔密度条件下产生螺旋型裂缝面,大射孔相位形成层状型裂缝面。(3)页岩储层水力压裂施工改造的施工参数优化设计与建议合理优化压裂施工参数可降低岩石破裂压力,增加裂缝复杂程度,达到有效的储层改造结果。采用低射孔密度和小射孔相位的射孔方式,产生平整裂缝面,利于压裂液流动和后期加砂。采用低粘压裂液配合低排量,有利于水力裂缝沟通开启天然裂缝,增加裂缝复杂性,但不利于裂缝缝长扩展,导致SRV体积较小;而变排量压裂以低排量增加裂缝复杂性和高排量增大裂缝网络规模的方式,促使复杂裂缝网络的形成。暂堵转向压裂和停泵转向压裂均能增加裂缝复杂性。