随着水力压裂研究的不断深入,致密储层非均质特征影响下的水力压裂裂缝扩展规律受到越来越多的关注。在储层非均质特征的影响下,水力裂缝的扩展往往具有随机性。建立综合量化评价体系,以准确地描述储层水力压裂裂缝及其场变量（应力场和位移场）的动态演化特征,对揭示储层非均质特征影响下的水力压裂裂缝扩展机理具有重要作用。本文采用室内试验、理论分析、以及数值模拟相结合的方法,由浅入深,系统地研究了从单一非均质性致密储层岩石（仅含天然层理、多矿物组分、或不同非均质结构）到非均质致密储层（同时包含天然裂缝网络和多矿物组分）中的水力压裂裂缝量化表征、建模和扩展规律。优化了非均质致密储层水力压裂裂缝建模及其量化评价方法,探讨了非均质致密储层水力压裂裂缝扩展规律,对非均质致密储层水力压裂研究和施工具有指导作用。本文的主要研究成果如下:（1）试验测试结果表明不同类型岩石试件的非均质特征存在差异,且以煤岩中的多矿物组分和天然裂缝最为复杂。天然裂缝长度基本符合幂律分布,且幂指数约为1.522。水力压裂裂缝扩展极易受到流体注入速度和最小地应力的影响,且相同储层区域不同岩石试件内部的非均质特征可能是水力裂缝扩展出现离散性的诱因。（2）基于有限元-离散元法（FDEM）和二维数字岩心重构技术,提出了新的水力压裂裂缝反演模拟方法,与试验数据的结果对比证实了其可靠性。因素分析显示,该方法能克服裂缝演化模拟中的网格生成和收敛性问题,且重建精度可随分辨率的提升而提高。该方法为后续的水力压裂模拟建模提供了方法支撑。（3）改进了已有的量化表征方法。基于向量统计原理,进一步提出了新的粗糙裂缝的量化表征和重建方法。测试结果显示,改进的立方体覆盖法更有利于获得稳定的分形维数。新的粗糙裂缝的量化表征和重建方法在粗糙裂缝的定量表征和重建方面具有显著优势,重建前后的量化参数差异均小于5%,且获得的离散裂缝网络模型有利于高质量网格的生成。该方法为后续的离散裂缝网络建模和水力裂缝的量化表征提供了方法支撑。（4）研究了不同非均质特征影响下的水力压裂裂缝扩展规律。研究发现,受天然裂缝影响时,煤岩水力压裂比页岩水力压裂更容易形成复杂裂缝。受不同控制机制影响时,韧性控制机制下的水力裂缝扩展比粘度控制机制下的水力裂缝扩展更容易受到Weibull分布的岩石弹性模量、单元尺寸、以及远场地应力的影响。受岩石内多矿物组分和天然裂缝分布的影响,水力裂缝容易出现非对称扩展、弯曲扩展和宏观转向等现象。（5）对比研究了不同离散裂缝网络和Weibull分布的岩石弹性模量综合影响下的水力压裂裂缝扩展规律。研究发现,基于常规和粗糙离散裂缝网络所建立的相对均质模型中的可破裂路径对水力压裂裂缝的长度、宽度、面积、迂曲度、不同分形维数等参数的演化具有重要影响。当存在天然裂缝时,常规离散裂缝网络与粗糙离散裂缝网络对水力裂缝扩展的影响也存在显著差异。当进一步考虑岩石弹性模量分布时,水力压裂裂缝的扩展规律出现一定的离散性。