非常规油气藏的开发依赖于水平井分段多簇压裂的发展和应用。水平井分段多簇压裂通过“分簇射孔”技术实现一段多裂缝扩展,常规分簇数为2～6,最新极限限流技术则将段内簇数增加为12～15簇,从而进一步提高施工效率、减少作业成本。“分簇射孔”技术目标为实现一段多裂缝的起裂与扩展,但现场光纤温度、光纤声以及示踪剂监测发现多裂缝存在非均匀起裂与扩展问题,即各簇射孔不一定均会起裂、各射孔簇进液也存在不均匀现象。因此,深入认识多裂缝非均匀起裂与竞争扩展机制与影响规律对于水平井分段多簇压裂设计具有重要意义。针对多裂缝非均匀起裂与竞争扩展问题,本文建立了平面三维多裂缝扩展模型,模型考虑了井筒流动、近井摩阻、非均质应力分布、尖端不同断裂准则等,可分析多裂缝非均匀起裂与扩展问题。为提高计算效率,提出基于Runge-KuttaLegendre的显式大步长算法,并引入尖端解析解实现粗网格的计算准确性、通过裂缝扩展速度进行自适应时间步长计算。方法准确性通过与penny裂缝解析解、澳大利亚联邦科学与工业组织有机玻璃压裂实验、单裂缝与多裂缝隐式水平集算法进行了验证。采用平面三维多裂缝模型,研究了裂缝扩展阶段（黏性主导和韧性主导阶段）、层间应力剖面、尖端不同扩展准则、裂缝群、近井摩阻、施工参数和非均质应力分布等多裂缝扩展形态和进液分布的影响规律。在平面三维模型基础上,进一步耦合了多裂缝内支撑剂运移模型,实现多裂缝内支撑剂分布的定量评价。为解决支撑剂运移出现非连续的问题,采用加权本质无震荡有限差分方法进行支撑剂运移计算。方法准确性通过与已发表文献结果对比进行验证。采用耦合支撑剂运移的平面三维多裂缝模型,重点研究加砂方式、支撑剂粒径、密度和液体黏度对多裂缝扩展过程支撑剂展布规律。最后开展了促进多簇裂缝均衡扩展的限流压裂和段内暂堵技术研究。通过理论分析揭示限流压裂和段内暂堵技术提高各簇裂缝均衡进液的机理,并以段内应力分布为非均质因素,采用多裂缝扩展模型研究了限流压裂射孔参数、段内暂堵技术的暂堵时机和暂堵剂用量优化设计方法。通过理论分析、数值方法研究,提出平面三维多裂缝扩展的高效准确解法,实现工程尺度的压裂裂缝扩展模拟分析,揭示多裂缝竞争扩展机制,分析多裂缝内支撑剂展布,并提出促进各簇均衡扩展的压裂技术的优化设计方法,从而提高多裂缝扩展有效性、减少完井成本,为非常规油气藏的体积改造设计提供参考。