水平井分段多簇压裂技术是开发非常规低渗透油气藏最有效的增产措施之一。通过密集地布置射孔簇并使用大量的压裂液,工程师期望采用该技术在储层内形成大量密集分布的水力裂缝,提高油气产量。然而监测数据却显示,水平井分段多簇压裂过程中常出现严重的水力裂缝非均匀扩展现象。在分段多簇压裂时,绝大多数的压裂液只会流向少部分的水力裂缝,造成这部分水力裂缝快速扩展;而其余的水力裂缝难以得到压裂液供给,逐渐减缓甚至停止扩展。多裂缝非均匀扩展现象严重地损害了水平井分段多簇压裂的增产效果。对此,本文构建了多水力裂缝扩展数值模型,针对水平井分段多簇压裂过程中的裂缝非均匀扩展现象和促进多裂缝均匀扩展的常用工艺技术开展了相关的数值研究和优化分析。本文研究主要包含了以下几部分内容:(1)构建了基于边界元位移不连续法、有限体积法和隐式水平集法,实现完全流固耦合的二维、拟三维和三维多水力裂缝扩展数值模型,其综合考虑了缝间应力干扰、裂缝入口压裂液流量变化、射孔孔眼压降和孔眼磨蚀、缝内固体颗粒运移。模型引入了表征裂缝尖端多尺度行为的渐近解作为裂缝扩展准则,缓解了数值模型在裂缝尖端区域的网格高精度要求。特别地,构建了一种适合多岩层应力条件的应力修正因子T,用于修正存在隔层应力差情况下的应力场,并用于拟三维多裂缝扩展模型的建立。本文研究构建的数值模型可以有效地应用于水平井分段多簇压裂中多种机理的数值研究和工艺优化设计。(2)基于本文构建的数值模型,借助尺度变换和量纲分析法,开展了定量的参数分析以探寻有利于多水力裂缝均匀扩展的条件。研究结果表明,仅在黏性控制扩展条件下(无因次断裂韧性Κ<1)的扩展早期阶段,初始尺寸相近的多水力裂缝扩展较为均匀。这意味着,在水力压裂初期使用较高的压裂液黏度、较高的压裂液排量和相近的初始裂缝尺寸更有利于促进多水力裂缝的均匀扩展。研究进一步讨论了基于最小作用量原理的多裂缝非均匀扩展形成机理。在绝大多数情况下,优势裂缝单独扩展所需要的能量比多裂缝均匀扩展所需要的能量更少,这导致了非均匀扩展现象的发生。(3)基于构建的多裂缝扩展数值模型,针对促进多水力裂缝均匀扩展的三类常用工艺开展了模拟分析和优化研究。研究首先分析了射孔限流法中孔眼摩阻对多裂缝扩展的影响。模拟结果显示,孔眼摩擦系数越高,各压裂液入口流量越平衡,水力裂缝扩展越均匀。对此,本文研究构建了一种简便实用的孔眼参数优化方法,能够通过地质、工程参数估算所需的射孔眼摩阻值和相应的射孔参数组合。其次,研究分析了不同裂缝间距、非均匀裂缝布置对多裂缝扩展的影响。最后,研究模拟分析了暂堵剂颗粒对多水力裂缝扩展的影响,并针对暂堵剂颗粒尺寸和暂堵剂用量开展了定量优化。其研究结果表明,泵入的压裂液流速、压裂液黏度越高,水力裂缝缝口的宽度越大,堵塞时所需的暂堵剂颗粒尺寸越大,暂堵剂颗粒使用量越多。当满足无因次颗粒尺寸ω<6且无因次体积0.24<λ<0.4时,暂堵剂颗粒能够有效封堵优势水力裂缝并促进劣势水力裂缝扩展。另外,数值研究结果也表明,利用井筒压力变化作为暂堵作业成功与否的判断依据并不准确。(4)基于构建的多裂缝扩展模型,研究分析了井工厂中多井压裂条件下不同裂缝间距、井间距及压裂方式(同步压裂和拉链式压裂)对多裂缝扩展造成的影响,并提出了有利于多水力裂缝均匀扩展的建议。研究结果显示,在多井同步压裂中,各条水力裂缝出现了非对称扩展现象。由于井间应力干扰的影响,劣势水力裂缝的横向扩展被严重抑制。在低隔层应力差条件下,劣势水力裂缝倾向于垂向快速扩展,不利于水力裂缝的高度控制。模拟显示井间距设计存在合理下限值,当井间距低于下限值时,压后有效裂缝面积将会锐减。研究结果也表明,拉链式压裂相比同步压裂能够获得更好的裂缝复杂度和更多裂缝总面积。