水平井顶板穿层压裂技术是我国薄层煤层气开发的关键技术,该技术降低了软煤层内水平井钻进的难度,能够达到良好的渗透改造效果,形成复杂的裂缝网。在探索煤层气高效、安全、绿色开发的理论与实践过程中,水平井顶板压裂技术面临着三大问题:首先,岩层中的微孔隙和微裂隙造成的压裂液在岩层中渗透、滤失对起裂压力和裂缝延伸的影响;其次,原生裂缝本身的几何特性对水平井起裂压力的影响;最后,如何控制水力裂缝能够穿透顶板到达目标层位,但不穿透底板触及太原组岩溶含水层。这些问题已经成为煤层气开发过程中亟待解决的问题。因此,开展水平井顶板穿层压裂的理论与技术研究工作,对于实现煤层气的高效开采,降低底板突水事故的发生率有着十分重要的意义。本文以弹性力学、断裂力学、水力学、岩石力学、水文地质学的基本理论为指导,在理论上对水平井穿层压裂的各种影响因素进行分析,同时对裂缝穿层的控制机理进行了探讨,建立了基于裂缝发育特征的起裂压力计算模型和连续穿层裂缝延伸模型。在起裂压力方面,针对定面射孔布井方式,其射孔集中力会诱导产生附加应力来改变井筒周围应力状态;在研究了原生裂缝自身几何特性的基础上,认为其应作为一个独立的物理指标参与起裂压力的计算,并建立了裂缝特性指标T的理论表达式,从而推导出了考虑裂缝特性指标的起裂压力理论计算公式,得到了现场施工数据的验证。在水力裂缝穿层延伸方面,分析了水力裂缝在分层界面处的三种压降方式,即:射孔孔口的压降规律、单个地层内的压降规律、多个地层层间界面的压降规律。同时查明了影响穿层水力裂缝延伸的主要因素:包括泊松比、弹性模量、地层埋深、裂缝模型宽度、滤失系数等。通过对这些参数的合理配置,可以控制穿层裂缝的延伸距离,从而防止底板水的涌出或突出。综合以上因素,改进了经典的PKN裂缝模型和压裂液滤失理论,推导了水力裂缝延伸距离与压裂施工时间的函数关系。研究结果表明,穿层压裂的裂缝延伸数学模型是以分段函数来表现的,这一理论模型也得到了现场施工数据的验证。