为了满足人类不断增加的能源需求,寻找石油的替代能源已成为当今能源界的关键课题。据资料显示,油页岩资源储量巨大,全世界油页岩资源可以换算高达4110亿吨的油页岩油,我国约有476.44亿吨,是一种较好的石油替代能源。为了提高油页岩地下原位转化的开采效率,需要利用水力压裂技术对油页岩的储层进行改造,提高油页岩储层的渗透率。为此,我们对水力压裂裂缝扩展规律进行深入研究。本文基于油页岩层理发育的特性,研究了层理对油页岩水力压裂裂缝扩展的影响。通过理论公式推导建立了基于应力强度因子的裂缝扩展的计算公式;利用半圆盘三点弯曲实验法(NSCB)测量不同层理与加载方向的夹角的油页岩断裂韧性,并通过拟合实验所得的断裂韧性值,建立了断裂韧性和层理与加载方向不同夹角的关系式;最终通过水力压裂扩展准侧,得到油页岩扩展的计算公式。通过电动卧式实验机测出油页岩间的摩擦系数关键参数值并对其影响因素进行分析;基于水力压裂试验,研究了层理与加载方向不同夹角的油页岩水力压裂裂缝扩展规律,并验证了建立理论模型的正确性。此研究成果将为油页岩地下原位裂缝缝网的研究提供重要指导。本文首先通过断裂力学理论及力学叠加原理推导出在不同地层应力条件下,油页岩水平井水力压裂裂缝扩展模型。通过应力坐标转化将原地应力场转化为在水平井井筒上的油页岩地层应力;依据最大环向应力理论,建立了应力强度因子与垂向主应力、水平最大主应力、水平最小主应力、水力压裂等关键参数的理论模型。论文利用NSCB实验法对断裂韧性进行测量,并探究了本身的参数(跨距、裂缝长度等)、加载速率等因素对油页岩的断裂韧性的影响。本文测出层理方向与井筒方向夹角(b)为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时的断裂韧性值,并通过origin软件拟合得到断裂韧性与b的函数关系式。当b为0°、90°时,断裂韧性破裂试样大部分的裂缝沿平行加载方向扩展;当b为15°、30°、45°、60°、75°时,断裂韧性破裂试样裂缝会偏离加载方向,而且产生裂缝扭转延伸的现象。在探究油页岩断裂韧性的影响因素时,发现油页岩断裂韧性随着加载速率、预制裂缝长度的增大而减小,随着加载跨距的增大而增大,但是预制裂缝长度对断裂韧性值影响相对较小。本文利用电动卧式实验机对油页岩间的摩擦系数和对其拉拽速度、表面的粗糙程度、拖拽油页岩的质量、油页岩间钻进液的填充粘度等影响因素进行分析,并利用场发射扫描电镜对油页岩试样进行微观分析。首先测得油页岩间的摩擦系数范围为0.55-0.75之间,分布在0.6-0.7居多;发现油页岩间的摩擦系数随着油页岩质量增大而增大,随着油页岩粗糙度增大而减小,随着压裂液较低时,表观粘度增大而减小,随着压裂液较高时,表观粘度增大而增大,拉拽速度较大时,油页岩间的摩擦系数值较为稳定,因此选用了120mm\min-140mm\min之间的拉拽速度,较大质量的油页岩试样,压裂液表观粘度较低,粗糙度较小的影响因素进行试验。在断裂韧性实验中油页岩破裂表面取样,进行场发射扫描电镜试验,发现油页岩的颗粒大小约在30um-150um之间,致使在测试断裂韧性值实验中,其扩展路径是曲折断裂;裂缝一般沿着颗粒与颗粒之间的缝隙进行扩展延伸,当遇到油页岩层理或较软的部分时,也会将岩石颗粒劈裂进行延伸裂缝。利用场发射扫描电镜试验台,对做油页岩间摩擦系数实验样品表面的试样进行微观分析,发现样品微观表面凹凸不平,造成了油页岩间粗糙度的不同。论文利用自主研发的真三轴水力压裂设备对不同层理与井筒夹角(b)的油页岩试样进行试验,并根据起裂压力的实验值验证理论推导结果的正确性。首先得到水力压裂扩展时,不同层理与井筒夹角(b)的油页岩起裂压力;观察发现不同层理与井筒夹角(b)的油页岩主要是沿着层理进行扩展,但是也会产生次生裂缝。通过第二章基于断裂力学推导出在不同地层应力条件下,油页岩水平井水力压裂裂缝扩展模型及第三章通过试验值拟合得到的断裂韧性与b的函数关系式,得到起裂压力与b的关系式;选定的合适试验参数,计算得出不同层理与井筒夹角(b)起裂压力理论值,与水力压裂试验结果对比分析,发现其误差均小于15%,且均小于试验值,而且变化趋势一致,可以得出此公式较为适用油页岩。此成果将为水平井油页岩裂缝扩展及现场试验提供理论指导与技术支持。