大规模水力压裂改造是形成页岩气工业产能的主要手段,长水平段水平井和分段压裂是页岩气有效开发的关键技术。页岩气井返排率低,且压裂施工返排液矿化度数十倍提高,体现了页岩气储层与工作液强烈的物理化学作用。页岩气田区块内各井间返排率也呈现差异特征,大量的压裂液注入后引起的低返排机理及其控制因素尚未认识清楚。储层的复杂性给流体与页岩相互作用分析带来一系列基础理论方面的挑战,突出表现为传统理论和模型不再适用。掌握页岩气藏特殊性质,开展流体与页岩气储层微观相互作用机理及规律研究,是重要的研究课题。结合涪陵页岩气田焦石坝区块储层页岩开展含气页岩特征研究,理化性能和页岩-流体相互作用测试表明储层页岩分散能力较弱,膨胀性不强。五峰-龙马溪组页岩裂隙极为发育,储层呈超低含水饱和度特征。未饱和含裂隙页岩与流体之间物理、化学和力学作用的研究,从离子扩散、化学渗透膜效率、毛细管力和多场耦合作用等方面开展。基于粘土矿物-水界面电化学理论,利用多相孔隙介质电流及溶质通量的耦合本构关系,得到了考虑含水饱和度的页岩离子扩散计算模型。储层页岩裂隙和基质孔隙结构差异大,根据临界含水饱和度和孔隙度对离子扩散的影响规律,未饱和条件下,页岩裂隙的离子扩散系数大于基质孔隙。储层页岩裂隙和基质离子扩散系数随着含水饱和度的增加而增大;高孔隙流体浓度和高含水饱和度下,离子扩散系数越大;相对而言,阳离子交换容量对储层页岩基质离子扩散系数影响较小。基于压力传导实验开展了饱和页岩膜效率测试,裂隙发育的页岩无法充当半透膜,储层页岩与流体化学耦合作用仅作用于基质孔隙。利用多相孔隙介质电流密度、溶质流和溶液流量耦合本构方程,得到了考虑含水饱和度的页岩膜效率计算模型。未饱和条件下,页岩膜效率会随着含水饱和度的增加降低;高Stern层反离子分配系数、高阳离子交换容量和低孔隙流体浓度条件下页岩膜效率更高。利用该模型,建立了含气页岩全井段膜效率评价和基质化学渗透吸水能力的表征方法。通过页岩水活度实验,建立了储层页岩毛细管压力评价实验方法,得到了毛细管压力随含水饱和度变化的关系。利用储层含水饱和度条件下毛细管压力大小,表征页岩基质毛细管压吸水能力。页岩气井低返排率主要是裂隙压裂液滞留和低含水饱和度条件下基质页岩吸水造成的。毛细管力和化学渗透作为储层页岩基质吸水动力,决定了页岩储层单位面积的吸水强度,页岩气储层天然裂隙和水力改造裂缝构成的缝网则决定了页岩气储层基质的吸水面积。建立了考虑页岩气储层和压裂液之间的溶质扩散的耦合效应和化学渗透孔隙压力响应的力学模型,开展压裂液与储层多场耦合作用研究。化学作用下诱导孔隙压力和流体溶质浓度的时空变化规律研究表明,关井时间和渗透率影响耦合作用的速率;储层页岩孔隙度和膜效率影响耦合的强度,对诱导孔隙压力的分布范围和峰值大小均有影响。页岩裂隙发育,无化学渗透的储层与压裂液作用过程溶质浓度变化范围更大,离子交换更强烈,并且不产生诱导孔隙压力。本研究深入阐述了储层页岩与流体微观作用机理,可以为页岩气开采工艺优化提供一定的理论基础。