能源结构的更新换代贯穿了人类文明的发展史,其变革与更替伴随着经济、社会结构的革新,能源安全是国家安全与国际竞争的重要组成。我国油页岩资源储备巨大,位居世界前列,是一种可靠的油气替代能源,需要针对其开发难点进行技术突破,为我国能源供应安全提供技术储备。同时,为贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念,原有的以地面干馏法为主导的油页岩开采技术正向原位开采转变。因此,考虑到极低的油页岩孔隙率和导热系数,需要采用水力压裂技术在油页岩储层内形成复杂缝网,利用人工形成的裂缝作为油气流通通道,以便油气的裂解产出,从而提高油气采收率。本文以马泉油页岩为研究对象,针对层理面影响下的油页岩力学特性各向异性、裂缝起裂与扩展规律开展了理论计算、室内试验和数值模拟研究,主要内容如下:首先,本文从马泉油页岩的矿物组成、孔隙结构、孔隙度、密度等物理特性入手,开展了X射线衍射实验、X射线荧光元素测定实验、压汞实验和扫描电镜实验研究。结果表明:马泉油页岩含油率较低,约为4.4%,密度为2.214 g·cm-3,孔隙度为5.2660%。其孔隙结构以中孔为主,层理结构发育且赋存有矿物组分差异极大的黑色核状物。其岩石基质以粘土矿物（伊利石、伊蒙混层为主,少量绿泥石和高岭石）为主,其含量高达59.2%;而黑色核状物则以氟磷灰石为主,其含量高达42.1%,粘土矿物的占比则为21.1%,加剧了马泉油页岩力学特性的各向异性。随后,开展了以层理倾角为变量的三轴压缩实验、巴西圆盘劈裂实验、半圆盘三点弯曲实验以及直剪实验,研究了马泉油页岩由层理面引起的力学特性上的各向异性。实验结果表明:层理面改变了岩石的破坏模式。三轴压缩实验中,随着层理倾角的增加,岩石的破坏展现出“穿切层理的劈裂破坏——穿层理面的剪切-张拉复合破坏——沿层理面的剪切滑移破坏——竖向劈裂型的剪切-张拉破坏”的变化趋势;相同围压下,压缩强度总在层理倾角为15°（轴向荷载与层理面间的夹角β’为75°）时达到最大值,在β’=30°时达到最小值;β’=0°时的弹性模量一般约为其它倾角条件下弹性模量的3倍;随着β’的增加,油页岩的抗拉强度逐渐增大且断裂韧性整体呈上升趋势;层理面与岩石基质的抗剪强度、内摩擦角也存在巨大差异。对比分析了马泉油页岩与其它沉积岩在三轴压缩强度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、断裂韧性上的各向异性度,其脆性指数和各向异性度总体和Yeoncheon schist较为相似,具有较好的可压性。同时,以三轴压缩实验数据为基准,建立了可表征马泉油页岩力学特性强各向异性的岩石破坏准则。分别基于Mohr-Coulomb准则、Mogi-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则建立了马泉油页岩修正的岩石破坏准则,确定最适用于马泉油页岩破坏准则的是Mogi-Coulomb修正准则。采用自主研发的真三轴水力压裂物理模拟试验系统,研究了马泉油页岩层理倾角、地应力条件等参数影响下的裂缝起裂规律,获得以下结论:一般情况下,岩石所受水平地应力差异系数δ越大、埋深越大,裂缝起裂压力越大;其中,埋深变化对裂缝形态的影响小,而δ变化对裂缝起裂压力的影响小。层理面倾角与倾向对水力裂缝起裂压力的影响规律受井筒方向的变化影响极大,当层理面倾角为0°、井筒轴线平行于最大水平主应力时,裂缝起裂压力最低,但此时裂缝复杂度低;当层理面倾角相同时,裂缝复杂度和裂缝形态相似度较高。天然裂缝有利于裂缝形态和裂缝复杂度的提高,但其与裂缝起裂压力一般不具有直接联系。结合水力压裂室内试验结果,提出并验证了考虑层理结构和多种破坏模式的马泉油页岩水力裂缝起裂与扩展模型,确定油页岩中的裂缝起裂模式主要分为从岩石基质起裂和沿层理面张拉起裂两种,基于此提出了水平井筒方位角的优化方案。研究发现:裂缝沿层理面起裂的起裂压力与位置随井筒方位角变化的幅度主要受层理倾角的控制,而变化趋势主要受层理倾向的控制,即:影响裂缝沿层理面起裂的起裂压力与位置的主要因素为层理倾角和井筒轴线与层理面的相对关系。同时,层理面倾角越大,起裂位置偏移井壁上θ=0?或180?的趋势越强。总体来说,马泉油页岩中易发生沿层理面起裂的裂缝,且层理倾角是影响裂缝起裂模式的主要因素。油页岩中水平压裂井井筒方位角的优化设计,需要对比分析不同裂缝起裂模式下的起裂压力,两种起裂压力之差较小对应的井筒方位角更有利于形成复杂缝网。最后,以马泉油页岩力学特性实验和水力压裂室内试验为基准,利用RFPA数值模拟软件建立了考虑岩石非均匀性和层理结构的三维油页岩数值模型,详细分析了层理条件、井筒方位角及其与层理面的相对关系以及压裂液参数对水力裂缝扩展行为的影响。模拟结果表明:层理面在一定程度上主导了油页岩中的裂缝扩展行为,从作用本质上可按影响程度归纳为层理面强度（“拦截力”的大小）、水力裂缝遇层理面时的遭遇角以及距层理面的距离。当水力裂缝扩展过程中遭遇强度相对较高,尤其是抗拉强度相对较高的层理面时,更易穿过层理;当层理面厚度较高时,其对水力裂缝扩展形成的“拦截力”会相应增强,水力裂缝更不易穿过层理;同时,层理倾角会直接影响遭遇角的大小,在30°～60°的倾角条件下,水力裂缝更易穿过层理。层理赋存条件的影响要大于井筒走向,斜井在一定程度上更有利于改造体积和储层改造效果。提高压裂液粘度与排量均可增强油页岩中水力压裂的储层改造效果,但两者均存在阈值。超过阈值后,均不能有效提高储层改造效果。