体积压裂是非常规油气资源勘探开发的关键技术手段。充分利用原有天然裂缝对水力裂缝扩展延伸路径的影响,以及支撑水力裂缝对就地应力场的扰动,是体积改造形成复杂网络裂缝的核心理念。但是,由于体积改造过程中压裂液流体、岩石基质、岩石界面间的相互作用,以及延伸水力裂缝与已存在天然裂缝间的相互作用都极度复杂,故天然裂缝网络存在时水力压裂过程模拟困难重重。迫切需要建立一套仿真复杂网络裂缝延伸过程的理论和方法,进而科学指导压裂设计,为我国非常规油气藏效益开发奠定理论基础和提供技术支撑。本论文针对非常规油气藏体积压裂设计中的关键科学技术问题,紧密围绕水力诱导裂缝与原有天然裂缝相交前、相交时、相交后的力学行为,以及水力裂缝在应力阴影作用下呈现非平面、非对称、复杂网状扩展的核心理论问题,以压裂过程中力学作用、水力作用及其相互影响过程为主线,充分利用扩展有限单元法(XFEM)处理不连续问题的优势,建立了裂缝性多孔介质单相和多相流体渗流-岩石变形-裂缝延伸全耦合XFEM模型,形成了一套模拟体积压裂过程中复杂水力裂缝网络扩展延伸的系统理论和方法。主要开展的研究工作及取得研究成果如下:(1)数值实现了不连续力学问题的XFEM理论。基于孤立裂纹、分支裂纹、交叉裂纹的XFEM位移模式,推导了裂纹强不连续力学问题控制方程的有限元离散形式,通过裂纹表征与跟踪、加强节点类型判断、单元刚度矩阵计算及组装、数值积分方案确定、裂隙面接触算法实现等,高精度地计算了水压裂纹应力强度因子,为模拟水力裂缝的动态扩展延伸奠定了坚实的力学基础。(2)构造了渗流弱不连续问题的XFEM孔隙压力近似模式。基于渗透性裂缝两侧孔隙压力场本身连续、而导数(即渗流速度)不连续的特征,引入符号距离绝对值函数、合适的裂尖分支函数和多个符号距离绝对值乘积函数对贯穿单元节点、裂尖单元节点、汇交单元节点的形函数进行改进,为构建裂缝性多孔介质渗流模型奠定了基础。(3)建立了裂缝性多孔介质单相和多相流体渗流的XFEM模型。基于XFEM孔隙压力模式,采用比控制域低一维的面积分或线积分精细描述裂缝内的流体流动,建立渗流弱不连续XFEM模型,对比验证后分析了单裂缝参数对压裂液滤失行为的影响。分析结果表明,天然裂缝与水力裂缝的距离和夹角会显著影响压裂液滤失规律,天然裂缝的存在将改变裂缝周围基质岩体的滤失行为,正交天然裂缝的累积滤失量与滤失时间成线性关系。(4)建立了裂缝性多孔介质单相和多相流体渗流-应力耦合的XFEM模型。位移场与渗流场的耦合求解摒弃了复杂网络裂缝内的流体压力计算并转化为等效节点力的繁琐过程,考虑了裂缝周围基岩孔隙流体压力变化对裂缝延伸的影响,分析并揭示了压裂液注入过程中水力裂缝与天然裂缝相交前的变形响应特征和力学作用机理。分析表明,水力裂缝倾向于穿过正交的天然裂缝继续延伸,更易于被斜交天然裂缝捕获而转向延伸。(5)完善了水力裂缝与天然裂缝相交时延伸行为的力学准则。基于相互作用积分计算的I型和II型应力强度因子,建立了沿任意方向延伸的水力裂缝与任意角度天然裂缝相交后延伸行为的普适性力学作用准则,揭示了水力裂缝与天然裂缝相交时的力学行为机理。研究表明:随水力裂缝与最大水平主应力夹角的增大,水力裂缝被相同逼近角天然裂缝捕获的几率先增大后减小;随净压力的增加,水力裂缝与天然裂缝的相交行为从穿过变为被捕获。(6)形成了一套模拟体积压裂过程中复杂水力裂缝网络扩展延伸的系统理论和方法。基于裂隙岩体渗流-应力耦合模型和裂缝扩展延伸准则,建立了裂缝性储层单相和多相流体渗流-岩石变形-裂缝延伸全耦合XFEM模型,对比论证后分析了基岩渗透率、压裂液黏度、注液排量等对水力裂缝缝口宽度、裂缝长度、缝口压力、裂缝宽度剖面的影响规律。仿真模拟了按现场压裂井尺度等比例缩小的水平井分段同步压裂室内实验的水力裂缝延伸路径,模拟结果与室内实验结果相吻合。结果表明水平井分段压裂将形成向井筒偏转的弯曲裂缝而非横截裂缝,支撑水力裂缝的应力阴影效应使裂缝间水平应力差变小,甚至是应力反转,有利于增大网络裂缝的复杂性。