层理性储层是指层理发育的沉积岩储集层,包括致密砂岩和页岩储层。目前层理性储层压裂改造主要采用滑溜水、线性胶、冻胶等水基压裂液,矿场应用也取得了较好的增产效果,但对于强水敏性储层,水基压裂液会对储层产生一定的伤害。纯CO2压裂液由于没有水相,大大降低了对储层的伤害,同时,由于粘度低,易于进入微细裂缝内形成复杂的裂缝网络,但不利于携砂。CO2复合压裂兼具CO2激活层理和天然裂缝、降低储层伤害、提高采收率以及水基压裂液扩充裂缝的优势,是层理性储层增产改造的潜在技术。此外,层理弱面具有低强度和高渗的特征,直接影响水力裂缝变形和缝内流体滤失,从而影响压裂改造效果。本文首先通过开展CO2-地层水浸泡岩石实验,测试分析CO2作用前后岩石的矿物组成、矿物形貌、孔隙结构、孔隙度、渗透率、抗张强度、抗压强度、杨氏模量、泊松比和表面硬度等参数的变化,阐明了CO2注入地层后对岩石的化学溶蚀作用规律。其次,开展了室内压裂模拟实验研究,研究了CO2压裂的物理和化学作用,进而提出了一种间歇式CO2-滑溜水混合压裂方法。通过压裂实验还研究了岩石类型、压裂方式、层理强度、垂向应力差、水平应力差和注入排量对裂缝起裂和扩展的影响规律,明确了CO2压裂裂缝扩展的主控因素。在实验认识的基础上,建立了考虑层理变形和滤失影响的三维裂缝扩展模型,其中水力裂缝为平面三维模型,层理扩展采用Lumped拟三维模型表征,模型的准确性通过与扩展有限元方法模拟结果对比得到了验证。基于三维裂缝扩展模型研究了层间应力差、垂向应力差、层理摩擦系数、层理渗透率和流体粘度对水力裂缝-层理扩展的影响规律。最后,在三维裂缝扩展模型的基础上,采用流体体积函数（VOF）方法追踪裂缝内两相流体界面的移动,建立了CO2复合压裂裂缝扩展模型,并采用一维管流解析解验证了此模型计算流体界面移动的准确性。基于CO2复合压裂裂缝扩展模型,研究了地层滤失性和压裂方式对裂缝扩展的影响规律,并优化了施工参数,包括施工总液量、CO2与滑溜水体积比、CO2排量和滑溜水排量。通过室内实验、理论分析和数值模拟研究,初步揭示了CO2压裂的物理和化学作用规律、水力裂缝-层理扩展规律以及CO2复合压裂裂缝扩展规律,明确了裂缝扩展的主控因素,并优化了CO2复合压裂施工参数,研究方法和相关结论可用于指导层理性储层压裂设计和施工。