煤层气作为非常规天然气资源的重要组成部分,具有资源分布广泛、长期稳定产气的特点,是目前新能源领域中的研究热点之一。煤层气储层多为低渗透储层,大部分井不压裂基本无产量,水力压裂技术是煤层气开发的主体增产技术之一。煤岩本身具有杨氏模量低,质软,割理等天然裂缝发育,应力敏感性质突出等特征。受天然割理裂缝的影响,煤层气储层水力压裂时易形成复杂的裂缝扩展形态,复杂的裂缝呈“T”型、无规则网络状等发育,主水力裂缝张开程度有限,易砂堵,砂比难以提升,最终有效支撑裂缝导流能力低,难以获得理想的压裂效果。受应力状态改变的影响,水力压裂时内部天然割理裂缝开启,造成孔隙度、渗透率等物性参数随之增大,增大的渗透率加大压裂液的滤失体积,降低压裂液效率,增加裂缝延伸难度,降低水力裂缝与天然裂缝沟通范围。本文针对煤层气储层压裂裂缝形态复杂的特点展开研究。从煤层气储层特征入手,以分形方法为手段表征了煤岩表面裂隙分布特征;应用岩石力学、弹性力学、流体力学及计算数学等多学科理论与方法,围绕工程实际形成复杂裂缝,建立“T”型裂缝与多裂缝延伸理论,展开对两种裂缝系统的压裂设计工作,为提高煤层气储层的压裂改造效果提供一定技术指导。基于前人研究成果,本文主要从以下方面对煤层气储层压裂复杂裂缝设计进行了系统研究:(1)通过文献调研,总结了煤层气储层结构特征及裂隙分形特征,在此基础上,给出了几种分形维数及其测定的方法,采用Matlab语言编制了盒维数法求取分形维数的程序;通过切割、水冲洗得到煤样表面裂隙分布图片,经增益降噪、程序读取得到6块煤样裂隙分布的分形维数,其数值在1.3~1.5之间。(2)本文研究了煤层气储层压裂复杂裂缝形态的形成及扩展延伸问题。复杂裂缝形态主要指“T”型裂缝与多裂缝系统。“T”型裂缝是在煤层气储层内部形成竖直缝,在储隔层交界处形成水平缝组合而成的。通过对竖直缝裂缝尖端应力分析,结合岩石力学剪切破坏、张性破坏理论推导了“T”型裂缝形成判定条件,以传统Penny模型为载体,引入径长比,推导了表征水平部分延伸的椭圆模型,以传统KGD模型表征竖直部分的延伸,两模型所求解压力在井底处达到平衡,以此来分配进入两部分中的物质流量,两部分模型相对独立又彼此紧密联系,构成“T”型裂缝延伸模型。(3)多裂缝延伸模型表征煤层气储层内部形成的复杂裂缝扩展形态。将无规则分布的天然裂缝采用分形维数、体积密度相等的原则重新排列,形成一系列与主水力裂缝相交的平行裂缝簇,以此为理念建立多裂缝几何模型。通过对主水力裂缝尖端应力分析,结合岩石力学剪切破坏、张性破坏理论推导了储层内天然裂缝对主水力裂缝扩展行为判定准则,指出可能存在的水力裂缝穿过、转向、天然裂缝开启等行为,采用室内实验方法验证了这一准则。以传统拟三维模型为主体,以多裂缝几何模型为依托,建立煤层气储层压裂多裂缝延伸模型,受应力干扰与压裂液能量限制,模型中天然裂缝开启长度与主水力裂缝长度呈一定比例关系,但不会无限制生长。(4)开发了煤层气储层压裂优化设计软件,分析了排量、压裂液粘度、地应力状态、天然裂缝发育程度等对压后裂缝几何尺寸的影响。研究表明:排量、地应力状态影响显著,天然裂缝发育程度对整个施工滤失、主水力缝长度、裂缝导流能力等都有重要影响。最后文章选取沁水盆地两口煤层气井分别进行了“T”型缝和多裂缝压裂设计工作。结果表明:该软件对煤层气储层等裂缝发育性储层压裂设计具有很好的适用性,可以为煤层气储层压裂改造提供一定技术支持。