水力压裂页岩气初期采出率仅5%～15%,远低于预期。当前研究受限于缝内均匀流体压力假定,未反应实际缝内流体流动、泵速变化等引起的（沿裂缝长度）非均匀分布形式,以致对水力裂缝起裂扩展以及裂缝间交汇机制认知不够清晰,复杂缝网形成机理尚不明确,这直接影响页岩气抽采效率。为此,本文依托国家自然科学基金地区基金项目“非均压流体驱动水力裂隙起裂成网机理及有效缝网控制（52064006）”,以各向异性页岩为研究对象,利用声发射技术、室内水力压裂实验和理论建模等方法,探讨了不同应力状态、缝内压力分布形式、注入速率、轴压、各向异性层面和岩石非均质性扰动下泵送压力演化和裂缝形态特征,分析了非均压流体诱导水力裂缝周边应力场分布规律,并据此提出考虑水力裂缝非均布效应的交汇准则模型,最后通过对压裂缝网的定性定量表征,揭示各向异性页岩储层复杂压裂缝网形成机理。本文主要研究工作和成果如下:（1）利用龙马溪页岩开展了单轴和真三轴水力压裂试验,探明了页岩水力压裂特征。结果表明,无论单轴还是真三轴应力条件下,泵压随时间演化过程均包含初始加压阶段（I）、快速加压阶段（II）、峰后压降阶段（III）和峰后稳压阶段（IV）四个阶段。不同之处在于,单轴水力压裂产生的水力裂缝为沿试样轴向扩展的双翼平面裂缝,而真三轴条件下主水力裂缝附近伴生次级裂缝,且存在天然裂缝和层理活化现象。（2）通过恒流注射水力压裂试验,揭示了轴向压力和注入速率对破裂压力、瞬时应变增量和微观断裂模式的扰动效应,定量化表征了水力裂缝形态特征,阐明了恒流增压瞬时致裂机理。结果显示,初始轴压加载过程在试样内产生张拉型微断裂;随轴压的增大,剪切型和拉剪混合型微断裂增多,环向变形增加,破裂压力降低;轴压扰动下水力裂缝主要呈双翼竖向扩展模式,轴压的增大促进裂缝迂曲度和破裂面粗糙度下降。随注入速率增大,试样内声发射累计计数增长率逐渐加快,临界破坏前环向变形愈趋于显著,破裂压力逐渐升高;高注入速率易于诱导张拉型微裂缝,抑制剪切型微裂缝的发育和生长,而注入速率较小时,水力裂缝形态迂曲、宽度各异、分支较多。在此基础上,建立了考虑注入速率效应的岩石破裂压力理论模型,结合试验结果验证了模型的适用性。（3）基于不同初始恒定泵压条件下水力压裂试验,分析了水力裂缝延迟起裂规律,明确了裂缝行为与泵送参数变化之间的关系。研究表明,恒压长时间作用下页岩因静态疲劳而导致裂缝起裂,且水力裂缝的起裂总伴随着泵压的衰减和注入速率的增加。此外,随着初始恒定压力值的增大,泵注压力、注入速率和泵压衰减速率曲线形状趋于复杂。从趋势上看,注入速率的变化总滞后于流体压力衰减速率,且滞后时间与压力衰减量成正比。相比于恒流注射,恒压条件延长了裂缝起裂后的扩展过程,导致泵注参数变化更加明显,裂缝形态更加复杂。依据流体压力和注入速率相对变化特征,明确了水力裂缝起裂、止裂、稳定延伸和不稳定扩展行为与泵送参数变化之间的对应关系,据此建立了恒压条件水力裂缝延迟起裂概念模型,定性分析了恒压条件下水力裂缝延迟起裂和扩展机理。（4）基于弹塑性断裂理论和数值计算方法求解了承受非均匀流体内压的Griffith裂缝模型,揭示了非均压流体诱导水力裂缝周边应力场分布规律,明确非均压扰动下水力裂缝临界扩展条件。此外,将非均压退化至恒压的半解析结果与恒压驱动水力裂缝周边应力场解析结果对比,验证了非均压水力裂缝模型数值解的可靠性。通过参数敏感性分析发现,缝内初始压力、缝长和幂律流拟合项数只改变裂缝周边诱导应力大小,但不影响拉压应力相对分布范围。（5）耦合流体润滑方程和岩石弹性方程,建立了预测水力裂缝与天然裂缝交汇行为（张开、滑移和穿越）的复合准则,并分析了地应力、逼近角、断裂韧性和逼近距离对交汇行为的影响。结果显示,最小水平地应力σh恒定时,增大水平地应力差有利于天然裂缝滑移;而最大水平地应力σH恒定时,地应力差增大则可能抑制滑移。当逼近角从30°增至90°时,水力裂缝更倾向于穿过天然裂缝。在较大逼近角范围内（60°～90°）,断裂韧性的增加会增大天裂缝滑动趋势,而对张开行为影响甚微。水力裂缝逼近天然裂缝过程中,天然裂缝的滑动趋势逐渐增大,在水力裂缝抵达天然裂缝之前,可能已经发生滑移或穿越行为。随逼近距离的增大,复合准则预测的张开区范围减小,临界滑移曲线发生异常偏转,天然裂缝面滑移趋势趋于稳定,并逐渐由远场地应力所主导。（6）基于各向异性页岩单轴和真三轴水力压裂实验,系统分析了层理方向、基质非均质性、井筒方位和地应力方向对裂缝形态的影响。研究表明,随层理倾角增大（0°到90°）,注水诱导张拉型微断裂占比升高,岩石破裂压力和瞬时变形先增大后减小。45°层理页岩内水力压裂产生的裂缝最为蜿蜒曲折,开度最大。岩石基质异质性对各向异性扰动的影响体现在微观断裂起裂演化状态和试样破裂形态。各向异性页岩储层真三轴水力压裂缝网形态可分为四类:沿层面扩展的单一曲折裂缝、穿层面的鱼骨状裂缝、顺层面扩展诱导天然裂缝活化的树枝状裂缝、伴有天然裂缝和层理面活化的穿层面网状复杂裂缝。与正断层应力状态相比,构造和逆断层应力状态下水力裂缝形态更为迂曲复杂。竖直井压裂产生垂直或水平顺层理延伸的裂缝,而水平井压裂时产生穿层理的新基质裂缝,有利于复杂裂缝网络的形成。