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薄互层低渗透储层砂体发育零散、砂泥交互、纵向层数多、厚度薄,压裂裂缝形态复杂、难以控制,进而使得注水效果差,有效动用程度低,单井产量低。对其直井压裂和水平井多级压裂的耦合渗流规律和裂缝扩展规律认识不清,会严重制约薄互层低渗透油藏的有效开发。因此,需针对薄互层压裂裂缝起裂、扩展规律和压裂开发耦合渗流理论进行深入研究。本文开展了三向应力下裸眼水平井压裂物模实验研究：基于薄互层岩心变形破坏特征,建立适用于薄互层井眼起裂判定准则,推导出不同完井方式、不同井型的破裂压力计算方程；针对不同力学特性砂泥交替的薄互层,建立宏观平均意义下的薄互层复合岩体本构方程,推导了薄互层等效弹性参数；引入异材参数,基于Griffith断裂准则和裂缝界面断裂准则,建立薄互层非平面裂缝起裂-扩展准则,实现裂缝在砂泥界面偏转、滑移、突破等复杂扩展形态的描述,揭示了薄互层非平面裂缝起裂-扩展规律。基于等值渗流阻力法和流场划分方法,建立了考虑薄互层纵向非均质性及压裂裂缝非平面特征的压裂直井耦合渗流数学模型,及考虑射孔、裸眼完井和裂缝相互干扰耦合渗流的水平井多级压裂渗流数学模型。针对薄互层整体压裂注水开发,建立了考虑启动压力梯度和压裂裂缝形态的薄互层混合井网压裂三区耦合流动的两相渗流模型,实现了不同储层条件下不同井网压裂裂缝参数的优化。研究结果表明,水平主应力差为10MPa时,水平井井筒方位角>60°,易生成两翼对称的横切缝；井斜角、方位角、水平主应力差越小,破裂压力越大；层间应力差>5MPa,隔层厚度>6m,均不能实现薄互层上下砂体间沟通；净总厚度比越大,裂缝非平面性越强,启动压力梯度越大,变形系数越大,薄互层压裂单井产量越低；当启动压力梯度大于0.01MPa/m以后,对产量的影响显著；当储层渗透率为1～10mD时,裂缝最优导流能力为10～20D·cm;当储层渗透率超过10mD时,裂缝最优导流能力为20～25D·cm。利用本文所建理论模型进行现场应用,为薄互层低渗透油藏的压裂开发提供了理论依据。