水平井技术是一项高效的油田开发、挖潜、提高采收率技术，近年来在油气勘探与开发中得到了广泛的应用。水平井注采过程中，井筒与油藏互为边界条件，相互影响，相互制约，构成了一个复杂的井筒-油藏耦合动力学系统。开展水平井井筒-油藏耦合问题的理论及试验研究，对于认清井筒、油藏耦合机制，预测注采动态，优化注采方案，提高水平井开发效果具有十分重要的意义。本文重点开展了以下几方面工作：1、从井筒、油藏流动特征及耦合机理出发，基于固体力学、流体力学、渗流力学、传热学等相关理论，采用连续介质力学方法建立了一个综合的水平井井筒-油藏耦合数学模型。其中，井筒自由流采用Navier-Stokes（NS）方程描述，油藏多孔介质渗流采用Darcy定律（DL）描述。该模型在考虑井筒管流与油藏渗流耦合的同时，还考虑了流场与温度场以及岩体变形场之间的耦合，为水平井井筒-油藏系统动态特性研究提供了理论依据。2、利用Brinkman（BR）方程描述井筒自由流与油藏多孔介质渗流之间的近井过渡流，建立了基于NS-BR-DL耦合的井筒管流与油藏渗流耦合方法，为井筒管流与油藏渗流耦合过程的准确描述以及耦合机制的深入研究提供了新的途径。其中，NS方程和BR方程采用稳定化Galerkin最小二乘有限元离散，DL方程采用标准Galerkin有限元离散，三类方程同时联立求解。在前人研究的基础上，考虑井筒在不同流动形态下径向流入/流出对其沿程压力损失的影响，提出了改进的等效渗流模型及方法，为油田级大尺度井筒管流与油藏渗流耦合数值模拟提供了有效途径。3、在改进等效渗流法基础上，针对热-流-变形耦合条件下的水平井井筒-油藏双重耦合问题，提出了基于Galerkin有限元空间离散技术和二阶向后差分时间离散技术的迭代求解方案。热对流扩散方程采用稳定化人工粘性方法求解，避免了对流占优条件下标准Galerkin有限元法的伪数值震荡问题。定量分析了水平井注汽和采油过程中井筒-油藏系统的温度、压力、应力、孔渗特性时空变化规律和动态耦合关系。4、基于源函数思想和势的叠加原理，建立了渗流-变形弱耦合条件下均质各向同性油藏水平井井筒-油藏耦合问题的半解析方法，并通过坐标变换和非均质性定量表征等一系列手段将该方法推广到大斜度井和非均质、各向异性油藏，为水平井注采动态的快速预测提供了有效的途径。定量分析了井斜角、渗透率非均质性和各向异性对水平井流入动态及流量/压力剖面的影响。5、基于势的叠加原理，将定量表征孔眼汇聚流及近井地层损害的经验表皮系数法与源函数法相结合，实现了射孔水平井井筒-油藏耦合问题的半解析求解。在此基础上，提出了通过变孔深、变孔密射孔调整非均质油藏水平井产液剖面的新方法，为水平井射孔方案设计提供了理论依据。定量分析了套管尺寸和近井非均质性对水平井变参数射孔的影响。6、基于流动相似理论，开展了射孔水平井井筒-油藏耦合的地面小比例模型试验。通过不同射孔方案下射孔井段的流量数据对比，验证了水平井变参数射孔方法的调剖效果，并提出了相关应用建议。在此基础上，采用Visual Basic编程语言开发了配套的水平井射孔优化设计软件，对油田现场10口水平井的射孔方案进行优化设计，通过优化前后生产数据测试结果对比，进一步检验了变参数射孔调剖方法的应用效果。