我国页岩气资源丰富,与美国大体相当。但是,与北美页岩气主要分布在平原地区不同,我国页岩气富集区主要集中在山区,大都经历了复杂的地质构造作用,导致地表条件差、天然裂缝发育,且长水平井段可能穿越多个不同小层,其页岩物性参数差异大,具有明显的非均质性特征。为了方便起见,常规压裂设计一般将同一水平井的页岩储层按照均质地层进行处理,采用相同的分簇射孔和压裂参数。因此,当前的压裂设计与实际情况差别较大,会在一定程度上影响储层增产改造的效果。考虑长水平井段页岩的非均质性后,其裂缝扩展的机理尚不十分明确,不能较好地指导分簇射孔和分段压裂设计,因此有必要进行深入的研究。本文以非均质页岩储层水平井分段压裂为研究背景,采用室内实验、理论分析和数值模拟等方法,开展了长水平段页岩储层非均质性评价、水力裂缝在非均质页岩储层及裂缝性页岩储层中的扩展机理研究,主要研究工作和成果如下:（1）基于测井资料和压裂资料分别建立了两种页岩储层非均质性评价方法。基于岩石力学实验和矿物组分实验,揭示了页岩力学参数在相同小层存在横向非均质性特征,在不同小层间存在纵向非均质性特征。利用经验模态分解技术和层次分析法,建立了一种基于测井资料、且考虑多因素耦合特征的页岩储层非均质性评价新方法。同时,考虑到测井资料表征范围有限及多因素耦合的局限性,提出了一种利用压裂资料评价远井页岩储层非均质性的新方法。本文建立的两种方法均可定量评价页岩储层的非均质性,为水力压裂数值模拟中的储层非均质性表征提供依据。这两种评价方法各有优缺点,其中基于测井资料的评价方法可用于邻井地层,而基于压裂资料的方法可用于评价远井地层,均可为邻井分段选簇和压裂工艺设计提供指导。（2）基于页岩储层非均质性特征,研究了多簇裂缝在非均质页岩储层中的扩展规律。根据页岩弹性模量服从韦伯分布的特点,在考虑页岩储层非均质性的基础上,建立了多簇裂缝扩展数值模型,对比分析了多簇水力裂缝在均质储层与非均质储层中的扩展行为特征。针对强非均质性页岩储层,分析了水平地应力、抗拉强度、压裂液注入排量及粘度等参数对多簇裂缝扩展行为的影响规律,揭示了非均质页岩储层中缝间应力干扰作用对水力裂缝扩展行为的影响规律,优化了不同非均质储层的分簇方案。研究结果表明:水力裂缝在非均质储层中呈现出非对称扩展;最小水平地应力和抗拉强度越小,水力裂缝总长度和总面积越大;储层非均质性越强,缝间应力干扰作用抑制水力裂缝扩展现象越明显,在分段压裂设计时应考虑在强非均质性储层中减小射孔簇数,增大簇间距。（3）针对页岩储层中天然裂缝发育的特点,利用网格节点分裂方式,建立了裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展新模型,研究了水力裂缝在裂缝性页岩储层中的扩展规律。针对页岩储层中天然裂缝发育的特点,利用网格节点分裂方式,建立了一种基于有限元网格嵌入零厚度内聚力单元的新方法,并利用Python语言将其融入ABAQUS平台,弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展行为的不足。最后,利用新方法建立了裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展新模型,分析了水平地应力差、储层非均质性、天然裂缝胶结强度及缝面摩擦系数、压裂液排量和粘度等参数对水力裂缝在裂缝性页岩储层中扩展行为的影响规律。研究结果表明:在较低水平地应力差下,天然裂缝胶结强度及缝面摩擦系数越小,水力裂缝总长度和总面积越大;在较高水平地应力差下,页岩储层非均质性越强,与水力裂缝相交的高角度天然裂缝越容易开启。通过本论文研究,评价了页岩储层非均质性,明确了水力裂缝在非均质页岩储层和裂缝性页岩储层中的扩展规律。研究成果可为我国非均质页岩储层的分段压裂优化设计提供参考,对提高我国页岩气开发效果具有积极意义。