页岩气是一种重要的非常规天然气资源,正在改变世界能源、经济和政治格局。目前,页岩气的开采已受到我国政府的高度重视。而页岩气在页岩储层中的运移规律、页岩气产量的影响因素分析和注气开采页岩气机理等方面的研究尚不成熟,这极大地限制了我国页岩气开采技术的发展。本文针对页岩储层的结构特性,综合运用实验室试验、理论分析和数值模拟等方法,研究了煤系页岩的渗流特性和页岩气开采过程中的渗流-应力耦合作用,取得了以下主要进展和结论:(1)通过煤系页岩的渗透率试验,得到了煤系页岩完整岩样和裂隙岩样的渗透特性。当孔隙压力不变时,煤系页岩完整岩样和裂隙岩样的渗透率均随着围压的增大而降低,符合指数函数关系,其变化规律大致分为两个阶段:急剧下降阶段和缓慢下降阶段;大部分裂隙岩样的渗透率比完整岩样的渗透率大3个数量级;渗透率对围压的敏感性高于对孔隙压力的敏感性。(2)分别建立了页岩储层中裂隙和基质的有效应力-渗透率模型和有效应力-孔隙度模型,并利用煤系页岩的裂隙渗透率数据验证了裂隙的有效应力-渗透率模型的有效性。基于多孔介质弹性理论,分别建立了页岩储层在单轴应变条件下及常体积条件下的孔隙度模型和渗透率模型,并利用现场渗透率数据验证了单轴应变条件下渗透率模型的有效性。在此基础上,基于有效应力原理和气体流动的质量守恒定律,分别推导了页岩储层变形的应力场控制方程以及裂隙和基质中气体流动控制方程。(3)基于页岩储层变形的应力场控制方程以及裂隙和基质中气体流动控制方程,利用COMSOL Multiphysics软件,分析了储层埋深、基质渗透率、裂隙渗透率、裂隙张开度、裂隙法向刚度和裂隙间距等因素对页岩气采收率的影响。在整个开采周期内,裂隙张开度对页岩储层的累计产气量影响最大,裂隙法向刚度、裂隙渗透率、裂隙间距、储层埋深和基质渗透率对累计产气量的影响依次减小。页岩储层的累计产气量并非仅由裂隙发育程度决定。(4)推导了注气增透(CO2/N2-ESGR)过程双重孔隙介质基质和裂隙的孔隙度和渗透率模型,建立了CH4和CO2在基质和裂隙系统中的渗流和扩散方程,以及CO2/N2-ESGR过程中页岩储层的变形控制方程。将建立的双重介质模型应用于注气开采的数值模拟。模拟结果表明,注CO2和N2能有效提高页岩气的采收率,注CO2会出现产气速率反弹现象,而注N2不会。(5)利用COMSOL Multiphysics软件,分析了努森修正系数和非达西效应对页岩气采收率计算值的影响。模拟结果表明,考虑和不考虑努森修正系数,对应裂隙渗透率为10-15 m2和10-16 m2的页岩储层整个开采周期内的累计产气量计算值分别偏差23%和40%;考虑和不考虑非达西效应,累计产气量则偏差2.4%和0.2%。裂隙渗透率越小,努森修正系数影响计算的程度越大,非达西效应则相反。为了使计算更接近于实际,对双重介质模型的努森修正比非达西效应修正更有必要。