水力压裂是储层改造的重要措施而被广泛应用于常规及非常规油气开发。由于页岩储层致密及低渗等特点,常规压裂单缝扩展模式很难达到经济化开采目的,页岩气水力压裂相比于常规压裂的不同在于能够形成缝网达到体积压裂效果。水力裂缝在储层中受到地应力和邻缝诱导应力的影响不断地沟通天然裂缝和弱面形成复杂的裂缝网络系统。压后缝网的发育程度、储层被改造程度是影响页岩气产量的重要因素,如何有效地获得更大面积的裂缝网络是页岩气水力压裂首要考虑的问题。因此在压裂施工前需要进行压裂设计,评估压裂效果。压裂设计的核心是压裂效果的模拟,通过模拟不同压裂施工工序下裂缝在储层条件下的扩展形态来选择最优化设计方案。本文针对页岩气体积压裂技术建立了复杂裂缝网络模型,研究了水力裂缝和天然裂缝以及断层相交问题,考察了不同压裂施工工艺对储层改造效果。基于扩展有限元方法和Matlab语言编写了水力压裂数值模拟软件,利用自主研发的软件进行了一系列数值模拟研究,论文的主要研究成果及创新点如下:1.针对裂缝相交问题,分别给出了水力裂缝和天然裂缝、水力裂缝和断层弱面的相交算法。通过模拟页岩储层中砖墙结构,研究了不同岩石材料参数、裂缝相交角度、地应力差以及缝面摩擦等因素对相交形态的影响,并对比了不同相交准则在复杂缝网系统生成中的作用。结果表明水力裂缝遇到天然裂缝是否贯穿或开启天然裂缝主要受相交角度和缝内载荷大小作用。2.考察了裂缝间应力阴影的影响,基于缝间应力干扰模拟了顺序压裂、交替压裂和拉链式压裂。结果表明顺序压裂和交替压裂应力影响主要集中在裂缝尖端附近,对地应力方向改变较大,拉链式压裂缝间干扰更复杂,对储层地应力方向改变较小,能够更大程度沟通储层天然裂缝,提高压裂改造效果。3.建立了复杂裂缝网络系统模型,给出了体积压裂效果评价方法。根据模拟结果发现天然裂缝初始方位对缝网系统影响很大,初始天然裂缝方位取向一致的地层形成的裂缝较单一,初始天然裂缝分布随机的地层更容易改变水力裂缝走向,形成复杂结构裂缝网络,获得更好的储层改造效果。4.研发了基于Matlab语言的二维扩展有限元水力压裂软件FRAC2D-XFEM。该软件能够模拟实际压裂过程中复杂裂缝网络的生成,考虑了水力裂缝和不同类型的非连续体相交,考虑了缝内流动对岩石变形的影响。经过与文献中经典算例对比验证了软件的正确性,该软件具有很高的数值精度,对开发高效复杂缝网压裂工艺技术具有一定的指导意义。5.基于DLA模型研究了裂缝中流体窜流现象。通过真实岩心驱替实验和数值模拟结果发现在渗透率级差较大的地层,CO2驱采收率较低,注入CO2优先沿着高渗产层突破出去。在含有裂缝的地层中CO2会优先沿着裂缝通道突进,基质很难有CO2突破出去。储层中窜流现象的发生会严重影响原油采收率,在实际工程中要尽量避免。本文建立的复杂缝网压裂模型,具有数值精度高、建模简单、计算速度快等优点,自主研发的二维压裂软件有较好的前后处理模块和核心计算模块,能够对实际页岩气水力压裂设计提供参考。