水力压裂是非常规油气田有效开采的重要技术手段。由于现场施工和储层地质条件的复杂性,压裂所产生的部分人工裂缝对产量贡献较小,增产效果不理想。因此,需要对压裂相关问题进行深入研究,优化施工参数。由于目前测量和实验手段的局限性,数值模拟是水力压裂研究的重要技术手段。本文采用二维水力裂缝数值模型,研究了大排量施工对复杂裂缝形成的影响、不同压裂方式下裂缝间距优化、多缝同时压裂裂缝形态控制、复杂裂缝形态形成条件等重要工程实际问题,主要包括:(1)基于扩展有限元法,建立了水力裂缝扩展流固耦合模型,提出采用低应力差区域预测复杂裂缝分布的方法。研究了压裂过程中地应力大小和复杂裂缝区域的变化。计算了单缝和多缝压裂,排量对复杂裂缝区域的影响。结果发现,不同压裂方式下,大排量施工均能有效扩大复杂裂缝区域。参数敏感性分析指出,大排量施工对低脆性岩石所产生的复杂裂缝区域影响较小,初始地应力差是形成复杂裂缝的关键因素,裂缝的张开宽度与应力干扰程度取决于最小地应力;低渗透率储层裂缝所产生的应力干扰更大,有助于产生复杂裂缝。顺序压裂时由于应力干扰程度随着裂缝条数不断增加,后续裂缝所产生的复杂裂缝区域也在不断扩大。多缝顺序压裂大排量所引起的复杂裂缝区域扩大的效果远好于单缝压裂。(2)水平井多段压裂的裂缝间距是施工中重要的可控参数。采用水力裂缝扩展流固耦合模型,模拟顺序压裂和同时压裂过程中,裂缝的形态和复杂裂缝区域的变化。计算发现,多缝顺序压裂,缝间应力干扰使得裂缝沿一侧发生偏转。减小裂缝间距,复杂裂缝区域扩大。而间距过小会导致部分裂缝在起裂和偏转的拐点位置发生闭合,无法加砂。缝间距优化综合考虑了复杂裂缝区域大小以及裂缝宽度能否加砂这两个因素。对同时压裂最优间距的计算发现,最优间距受弹性模量的影响较小,随地应力差的增大而减小。对于水平井交替压裂方法,本文采用二维数值模型计算了支撑裂缝对周围地应力场的影响范围,并模拟了交替压裂过程。用地应力的方向预测压裂所产生的应力释放缝的分布。通过计算不同阶段压裂应力释放缝的分布角度,得到了所能形成的复杂裂缝的范围。计算结果显示,复杂裂缝区域面积随着裂缝间距的变化有一个峰值,与此对应的间距为最优裂缝间距。参数影响分析显示,最优间距随着地应力差的增加而降低,随着净压力的增加而增加。支撑剂的铺置对地应力分布以及最优间距有显著影响。(3)水平井同时压裂中,裂缝间应力干扰作用使得裂缝发生偏转的同时,扩展长度和宽度也会受到抑制。本文基于扩展有限元法建立了多孔介质裂缝同时起裂的数值计算模型,模型考虑了压裂过程中各裂缝压裂液注入流量的动态分配。研究了地质参数和施工参数对裂缝几何形态的影响。研究发现,地应力差是裂缝形态的控制因素,地应力差不同,中间裂缝起裂扩展会受到抑制或在注入点位置发生闭合;地应力差较大时,减小排量和增大孔眼摩阻有助于促进中间裂缝扩展。通过对可控因素调节,建立了对裂缝形态的控制的方法。(4)复杂裂缝形态的模拟对页岩气开采具有重要意义。本文采用基于有限元法的复杂裂缝网络模型(GEOS),研究不同地质参数对裂缝扩展的影响。计算结果发现,地应力和天然裂缝是复杂裂缝形成的控制因素。平行分布的天然裂缝,人工裂缝往往沿着天然裂缝的方向扩展,且裂缝形态单一,无法形成复杂裂缝。垂直相交分布的天然裂缝有助于人工裂缝分叉,形成复杂裂缝。人工裂缝扩展的形态不仅与地应力差有关,还受地应力的绝对大小影响。地应力或地应力差较大时,会抑制人工裂缝分叉和扩展,难以形成复杂裂缝。本文所提出的数值模型、分析方法和研究结果,可以为非常规油气藏水力压裂施工设计提供一定的参考,以优化施工参数,提高产量。