页岩气资源开发技术发展对解决我国常规天然气产量不足和缓解能源对外依存度高的现状具有重大意义。与北美主要页岩气储层相比,四川盆地龙马溪组页岩储层压裂工程地质条件相对较差。高地应力差(15～20 MPa)、低脆性指数(<50)及天然裂缝相对不发育的特点使得常规压裂施工后难以保证形成复杂裂缝网络,导致该地区页岩气增产改造难度大、单井开发成本高。可以通过酸处理改变页岩力学特征提高压后形成复杂缝网的可能。然而酸损伤页岩内部微孔隙和微裂缝结构复杂,水力压裂过程中储层岩体变形破坏特征对复杂裂缝扩展影响机理不明确。本文以川南地区龙马溪组储层页岩为对象,基于室内试验手段研究酸处理后页岩矿物组分、微观结构和力学性质变化。综合运用塑性力学和损伤力学理论,建立龙马溪组页岩酸损伤弹塑性本构模型。通过引入酸损伤弹塑性本构方程建立龙马溪组页岩压裂裂缝扩展数值模型,研究考虑酸损伤效应的页岩裂缝扩展规律及影响因素。主要研究工作及取得的认识如下:(1)盐酸溶蚀页岩中的碳酸盐矿物后改变岩石颗粒胶结强度和微观孔隙结构,在宏观上表现为酸损伤页岩孔渗特征和力学特征改变。由于裂缝扩展受储层岩体应力-渗流耦合过程的影响,因此酸损伤页岩孔渗特征和力学特征的改变将引起页岩复杂裂缝扩展机理的改变。有必要开展酸损伤效应对页岩压裂裂缝扩展的影响规律研究,明确回答页岩酸处理是否能为形成复杂裂缝网络服务。(2)针对研究区页岩开展加压饱和酸处理实验,分析酸处理对页岩矿物组分、微观结构及孔渗特征的影响。龙马溪组页岩碳酸盐含量随着酸处理时间增加而减少。酸处理过程中,酸对岩石胶结物的溶蚀作用破坏了岩石固有结构,削弱岩石骨架颗粒之间的胶结作用。测试结果表明页岩内部碳酸盐矿物被酸溶蚀后形成许多次生孔隙和微裂隙,导致龙马溪组页岩孔隙度和渗透率增加。(3)针对酸处理前后页岩岩样开展了三轴压缩试验测试,分析酸损伤效应对页岩力学特征的影响。结果表明:随酸反应时间的增加页岩峰值抗压强度和杨氏模量明显降低,力学性质参数与孔渗参数之间的关系满足线性回归拟合。分析酸处理前后页岩的变形特征和破坏特征,认为龙马溪组页岩酸损伤后具有塑性变形特征,且破裂形态复杂,是压裂后地层形成复杂裂缝网络的有利条件。(4)根据酸损伤页岩破坏的物理过程分析变形破坏特征。运用塑性力学理论,建立基于Drucker-Prager屈服准则的页岩弹塑性本构模型。利用损伤力学理论,基于酸损伤后页岩孔隙度增加的现象提出考虑孔隙度变化的损伤因子和损伤演化方程。将损伤变量引入弹塑性本构模型中建立酸损伤弹塑性本构模型,编写Fortran程序对模型求解。对不同酸反应时间下的酸损伤页岩三轴压缩试验进行了数值验证,结果表明酸损伤弹塑性本构模型能够比较准确地模拟经过酸处理后页岩的受载荷变形过程和峰后应变软化特征。(5)本文提出利用粘性区单元建立二维裂缝相交扩展模型,模拟不同天然裂缝展布和不同地应力状态下的裂缝扩展结果。通过真三轴水力压裂物模实验结果与数值模拟结果对比验证了该方法的正确性。引入酸损伤弹塑性本构方程研究页岩酸损伤效应下的裂缝扩展规律。通过与弹性岩体模型结果对比分析,认为考虑酸损伤的裂缝扩展数值模型计算诱导应力场更复杂、地层水平应力比更低,是形成复杂缝网的有利条件。(6)根据川南龙马溪组某口井工程地质特征建立考虑酸损伤效应的页岩三维多裂缝相交扩展数值模型,模拟不同施工参数下缝网扩展的形态。基于损伤力学理对酸处理后的天然裂缝和层理面损伤进行模拟,基于酸损伤弹塑性本构模型模拟储层岩体变形。分析施工参数对多裂缝扩展复杂程度的影响,对比分析该井现场微地震监测结果,认为考虑酸损伤效应的多裂缝扩展模型能反映龙马溪组页岩酸处理压裂扩展规律。本文通过试验测试和理论模型相结合,建立酸损伤页岩本构模型并引入龙马溪组页岩储层水力压裂裂缝扩展数值模型,研究考虑酸损伤效应下的多裂缝扩展机理。相比常规压裂,在高应力差条件下酸损伤页岩储层压裂后裂缝更容易扩展,裂缝复杂程度更高。本文通过建立描述龙马溪组酸损伤页岩力学性质特征的本构关系,分析考虑酸损伤效应下龙马溪组页岩储层裂缝扩展机理,为该类通过常规压裂不易形成复杂缝网的页岩储层提供增产改造思路和理论支撑。