随着低碳清洁能源需求的日益增长,致密油气、页岩气等非常规能源及地热能等清洁能源开发正受到广泛重视。增强地热系统（Enhanced Geothermal Systems,EGS）、非常规油气藏等储层的水力压裂过程是多相流体流动、传热和岩石变形、开裂同时发生的复杂热-流-固（Thermal-Hydraulic-Mechanical,THM）耦合过程,而且热场、渗流场和力场随时间和空间不断演化。传统的实验方法成本较高且无法全面了解这种复杂耦合过程,然而数值模拟被认为是一种快速、准确、低成本的用于分析多场耦合过程的方法。本文以数值模拟为基本研究手段,以多相（气相、液相）、多组分（空气、水、二氧化碳）THM耦合岩石损伤模型为研究方法,以水压或温度梯度诱发岩石裂纹扩展过程为研究主线,以揭示裂缝扩展的主控因素为研究目标,对非均质岩体及储层内的多场耦合过程开展了详细研究。主要工作和研究成果如下:（1）基于非均质性导致脆性岩石中观察到的渐进破坏行为的思想,建立多相多组分THM耦合岩石损伤模型。基于该模型,通过耦合“非饱和地下水及热流传输”软件TOUGH与“真实破坏过程分析系统”RFPA的求解模块并嵌入RFPA框架内,成功开发了 TOUGH-RFPA模拟器。TOUGH-RFPA模拟器的准确性通过将模拟得到的数值解与解析解（或实验解）的对比进行了验证。利用咸水层二氧化碳地质封存模型将TOUGH-RFPA模拟器和常见THM模拟器TOUGH-FLAC进行了对比,除此之外,还将TOUGH-RFPA与其他THM耦合模拟器进行了讨论,结果表明:TOUGH-RFPA整合了 TOUGH在模拟多相流体流动和传热方面的优势和RFPA在非均质岩石变形和破裂过程模拟方面的优势,可以获得非均质岩石在THM耦合作用下的裂缝起裂和动态扩展,以及岩石内部多相、多组分混合流体流动和传热规律,适用于非常规储层水力压裂、EGS、二氧化碳地质埋存等领域的分析模拟。（2）基于数值模拟研究了层状非均质岩体模型多裂缝压裂条件下的裂缝扩展及应力阴影效应,讨论了裂缝间距、水平地应力差异、夹层性质（弹性模量、泊松比、强度和渗透率）以及压裂液参数（流量、粘度）对水力压裂多裂缝扩展路径的影响。结果表明:岩石的非均匀性和裂缝扩展过程中的应力阴影效应会导致多裂缝的扩展路径的不同步和不对称,以及裂缝偏转角的不相等。对于层状岩体模型,夹层和产层的力学参数差异影响水力裂缝的扩展路径和破裂压力,而渗透率的差异只影响裂缝的扩展路径。增加压裂液流量有利于多裂缝穿过隔层,但增加压裂液粘度只会促进先开裂的裂缝穿过隔层。（3）基于数值模拟研究了非常规储层水平井水力压裂裂缝扩展规律,讨论了射孔高度和射孔间距、层间地应力差异、岩相差异和储层饱和度对水力压裂多裂缝扩展路径的影响。结果表明:较大的射孔初始高度和射孔间距会形成更长更高的裂缝。隔层内部较高的最小水平主应力及弹性模量会抑制水力裂缝的扩展。非饱和储层的破裂压力要高于饱和储层,然而产生的裂缝长度和高度小于饱和储层,因此在模拟中不可以忽略储层饱和度的影响。（4）基于数值模拟研究了增强地热系统冷水注入钻孔或单裂缝过程中,裂缝的扩展规律及影响因素。结果表明:冷水注入钻孔模型过程中,钻孔附近会产生环形损伤区,主裂缝主要沿垂直于水平小主应力方向扩展,如果注入压力过高,会影响钻孔的稳定性,并最终较快地形成宽而长的裂缝,不利于形成细密缝网。冷水注入和流出单裂缝模型过程中,垂直于主裂缝方向逐渐形成次生裂缝,同时在主裂缝和次生裂缝附近出现损伤区。冷水的质量流量越大,温度越低,越容易产生更多、更密、更长的次生裂缝,热提取速度越高。次生裂缝的扩展加快了热对流速度、增加了水岩换热面积,对热提取速度有明显的促进作用。但是并不是次生裂缝长度越长,越利于系统的热能提取,只有当裂缝附近微破裂较多,换热区紧跟破坏区发展,才能保证最有效的热能交换。