生活中广泛存在气-液两相流,因其流动的非线性、耦合的复杂性和相态的非连续性,成为目前亟待解决的基础理论研究课题。能源工程中,页岩气开采要保持长期的开采速率,而二氧化碳地质封存强调盖层的密封性。二者虽有相反的工程目标,但有相同的科学问题:裂隙岩体中以气-液两相流为核心的多物理场耦合问题。因此,结合裂隙岩体孔隙结构复杂性,建立多场耦合作用下的两相流数值模型,能揭示页岩气返排和二氧化碳封存中的流动机理,具有重要的科学意义和工程价值。为此,本文针对裂隙岩体中的气-液两相流渗流特征,综合运用实验测试、理论模型推导、现场数据对比和数值模拟分析的研究方法,深入探讨了页岩气开采和二氧化碳封存中气-液两相流的热-湿-流-固多场耦合机理,建立了多场耦合的两相流工程理论分析模型,旨在为能源工程应用提供更好的理论指导。通过本文的研究,取得了以下成果:（1）通过室内页岩浸泡试验,揭示了页岩组分、表面形态、内部孔隙结构和抗拉强度在酸碱劣化下的变化规律。首先完成三种典型溶液对页岩的溶蚀效果试验,通过X射线衍射（XRD）半定量分析矿物组分的变化,结果发现溶蚀效果由强到弱为:碱性溶液>酸性溶液>蒸馏水。其次,通过场发射电镜扫描（FE-SEM）观测了页岩表面形态特征的变化,发现水-岩反应对页岩表面形态产生的影响主要体现在微米级裂隙和颗粒间孔隙。采用N₂和CO₂吸附试验对页岩内部的微观孔隙结构进行了定性分析,并对孔隙尺寸分布的分形特征进行了定量描述。最后,通过巴西劈裂实验,揭示了酸碱劣化下的页岩力学特性的变化。结果观测到,在经过蒸馏水浸泡后的页岩抗拉强度平均值出现大幅度下降,达27.4%。（2）推导了一个新的气-水相对渗透率分形微观模型。综合考虑裂隙岩体孔隙结构（孔隙分布分形维数、迂曲度分形维数和水膜结构）的复杂性,推导了一个气-水相对渗透率分形微观模型;并通过与两个经典的相对渗透率模型和几组实验数据对比,验证了该模型的可靠性;详细探讨了孔隙结构参数、水膜、几何修正因子和真实气体效应对气-水相对渗透率的影响。研究发现,孔隙尺寸分形维数决定了流动的形态,并对气-水有效渗透率的变化有着更显著的影响;孔隙几何形状会影响气体的流动机理,当孔隙几何不规则性增加时克努森数减小,气体分子间碰撞加强,气体流动逐渐转化为连续介质流动。（3）提出了一个多尺度渗流-扩散的三分区数值模型,研究了水基压裂液两相流返排对页岩气产量的影响。在水力裂隙间距、裂隙宽度、裂隙均匀性和裂隙几何形状等不同的裂隙特性下,研究了裂隙参数对页岩气产能的影响,探讨了多尺度渗流-扩散对页岩气产量的贡献以及不同区域微裂隙与基质之间的气体交换速率。结果发现,考虑两相流返排模型预测在返排初期（算例中约230天）的页岩气累计产量下降了58.2%。随着开采的持续进行,基质中微裂隙的渗透率逐渐增加,并接近裂隙区的渗透率,反映了裂隙尺度渗流和基质尺度扩散的协调性。（4）建立了一个考虑水膜结构的湿-流-固多场耦合模型,揭示了页岩气水基压裂液返排在两相流阶段后的湿度运移规律。首次在页岩气返排的耦合模型中考虑湿度运移,探讨了残余水饱和度下的启动压力梯度、裂隙表面的水膜蒸发以及基质中的气-液-固混合吸附机理,提出裂隙中水膜结构导致的非达西流动机理,明确了气体吸附衰减系数和水覆盖因子与基质中气体吸附量之间的关系。（5）提出了一个CO₂三相共存的热-流-固多场耦合数值模型,研究了CO₂在临界深度盖层中的运移规律。基于800 m深度的浅部临界深度盖层,引入CO₂在临界深度盖层中的相变效应,建立一个以两相流为基础的热-流-固多场耦合数值模型,研究了温度和压力对盖层密封效率的影响,探讨了相变区CO₂物理性质随气体分压和地层温度的变化。通过定义盖层中的CO₂渗透深度,有效评价了盖层的密封安全性。研究发现,在封存400年时,考虑真实气体效应的CO₂渗透深度相比于理想状态气体的渗透深度增长了5.9%。（6）揭示了CO₂在深部咸水储层的热-流-固多场耦合作用和运移机制。在深部咸水储层中考虑CO₂迁移的热应力和焦耳-汤姆森等热效应。在孔隙率模型中考虑CO₂物性变化、孔隙压力的积累、吸附膨胀和热收缩的共同作用,建立了一个适用于在深部咸水层封存CO₂的热-流-固多场耦合模型。通过耦合两相流、多孔介质变形和传热与焦耳-汤姆森效应,分析了注入CO₂的温度变化和流动规律。模拟对比了不同毛细进入压力对CO₂羽流形态的影响;探讨了注入边界条件对盖层底部CO₂压力积累的作用,合理的注入速率对CO₂的封存效率至关重要。该论文有图105幅,表16个,参考文献202篇。