页岩气作为一种重要的非常规天然气资源,具有资源分布广泛、长期稳产等特点,是目前非常规油气资源开发领域的研究热点之一。页岩储层基质渗透率极低,只有通过大规模水力压裂才能获得经济开采。但由于受平面应力分布、粘土矿物含量、脆性、微裂缝分布和发育程度的影响,页岩水力压裂后通常形成具有一定范围的不规则网状裂缝,这与传统平面双翼对称裂缝模型存在显著差异,裂缝起裂、延伸规律异常复杂,给页岩压裂施工方案设计和相关配套工艺研发带来了巨大挑战。针对以上问题,本文基于岩石力学、弹性力学、流体力学和断裂力学基本理论,对页岩体积压裂复杂裂缝的形成机理及几何形态优化设计进行了研究,主要的研究内容如下:(1)选取重庆漆辽志留统龙马溪组黑色页岩为研究对象,通过单轴、三轴压缩试验,对不同层理面影响下页岩力学参数、强度变形特征以及破坏模式进行了系统研究,结果表明:页岩抗压强度、弹性模量和泊松比随着取芯角度的增加呈现出明显的各向异性特征;同时层理面倾角和围压对其破坏形态具有重要影响,当剪切破坏面与层理面相交时,通常伴随有裂缝的分叉、转向和层间弱面开裂等现象。(2)基于页岩横观各向同性本构模型,建立了页岩气井井周应力分布计算模型,应用弹性力学广义平面问题复变函数解法,结合井筒坐标变化矩阵,得到了横观各向同性地层井壁围岩应力解析解,在此基础上采用最大拉应力准则,建立了页岩起裂压力计算模型并进行了参数敏感性分析,结果表明:对于水平层状页岩储层,随着井斜角的增大,井周应力分布与各向同性本构模型的计算结果偏差逐渐增大,起裂压力也明显低于各向同性地层;随着水平井方位角的增大,地层破裂压力逐渐升高,同时存在一临界方位角,当井筒方位角大于该临界值时,各向异性地层破裂压力明显高于各向同性地层,而地层倾角对地层破裂压力的影响随着水平井方位角的增大却逐渐减弱。(3)综合考虑水力裂缝尖端应力奇异性,建立了水力裂缝穿过天然裂缝的新判据,并在此基础上,结合流体压降方程、缝宽方程和连续性方程,编写了主裂缝扩展程序,对天然裂缝影响下主水力裂缝的扩展形态进行了模拟计算,结果表明:在低逼近角、低水平应力差条件下,主水力裂缝较易沿着天然裂缝发生转向扩展,反之水力裂缝则直接穿过天然裂缝;同时,天然裂缝展布特征对主水力裂缝净压力和相交点缝宽均有重要影响,而水力裂缝端部新裂缝起裂角则与净压力、水平应力差和天然裂缝倾角密切相关。(4)综合考虑岩体变形与缝内流体压力的耦合作用机制,建立了页岩体积压裂多裂缝同步扩展有限元分析模型,从地质和工程两个方面出发,对多裂缝同步扩展过程中的地应力场变化、裂缝转向特征进行了分析,结果表明:在多裂缝同步扩展时,每条张开裂缝都会对邻近裂缝产生一附加应力场,在其作用下各裂缝扩展路径发生明显变化,特别是内侧裂缝由于受两侧裂缝诱导应力的叠加作用,裂缝发育受到强烈的抑制;其中缝间距是影响缝应力阴影大小的关键因素,缝间距越小,缝间的干扰越严重;随着地层弹性模量的增加,缝间应力阴影效应显著增强,各裂缝缝宽随之减小。(5)基于流体力学和渗流力学基本原理,利用缝内流体流动方程、连续性方程、缝宽方程和椭圆方程建立了页岩体积压裂缝网模型,采用Richtmyer线性化方法构建了流体流动方程的差分格式,并编制了相关模拟计算程序,最后进行了敏感因素分析,结果表明:增大施工规模,采用低粘度压裂液均有助于增大缝网波及体积;在注入液量相等的条件下,注液排量越大,缝网波及体积越小;在高弹性模量、低水平应力差储层进行体积压裂,缝网改造体积越大;同等条件下,天然裂缝越发育,缝网波及体积越小。