随着能源需求量增加,页岩气凭借其丰富的储量已经吸引了人们的视线。但页岩气藏储层具有比常规储层更加复杂的地质条件、储层渗透率和导流能力,因此需要对储层进行压裂改造。受到页岩层理、天然裂缝发育的影响,页岩储层压裂改造的效果难以通过一次工程方案设计就能达到要求,需要实时监控压裂状态、分析压裂效果、判断压裂遇到的工程地质问题以及修改压裂参数使压裂改造更理想。因此页岩气储层水力压裂改造施工过程中裂缝扩展机理问题一直以来都是受到众多学者关注的目标。本文基于理论分析、数值模拟、工程实践相结合的方法从裂缝扩展长度、方向、储层力学性质、天然裂缝影响等方面分析了水力压裂裂缝扩展机理。本文研究的主要内容为:(1)总结了含中心裂缝的有限宽板模型;考虑裂缝面作用有均布水压力,分析裂缝尖端裂缝线附近的弹塑性应力场分布特征,基于塑性区半径的解析解研究了裂缝扩展长度随均布压力、中心裂缝半长、板宽、剪切屈服强度的变化规律。(2)建立了含中心倾斜裂缝的平板在围压和水压力共同作用下的裂缝扩展模型,基于伪力法、叠加原理和断裂力学相关理论,研究了倾斜裂缝尖端应力强度因子,再结合应变能密度因子理论分析了倾斜裂缝在Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展模式下裂缝扩展方向随裂缝倾角、裂缝面水压力、围压差的变化规律。(3)运用扩展有限元方法,建立了单射孔条件下水力压裂数值模型,分别从弹性模量、抗拉强度、泊松比三个方面分析了对裂缝扩展形状的影响,在数值模型中考虑了有一定厚度并被填充的天然裂缝,分析水压裂缝接近天然裂缝时、穿过天然裂缝并在天然裂缝内部扩展的规律。(4)针对微地震监测中震源信号叠加干扰的问题,结合自适应谐波模型,对同步压缩小波变换信号分离方法进行优化,解决从原始信号中分离出的信号分量的初动畸变问题,为通过微震监测方法实时监控水压裂缝扩展状态提供良好的信号基础。(5)最后结合水力压裂施工参数及微震监测数据分析了实际压裂施工过程中的压裂扩展动态。本文研究内容与结果对于水力压裂施工过程中实时监测、分析压裂改造状态以及实时优化施工参数具有一定的参考意义。