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页岩气藏水平井体积压裂改造使页岩储层形成复杂的裂缝网络,页岩气渗流表现出多尺度多流态的渗流特性;压裂水平井改造区与未改造区形成多区域结构;由于降压开采应力场变化,导致不同尺度介质变形,流固耦合问题凸显且流动规律不明。本论文紧紧围绕页岩气藏开发过程中复杂形态的压裂缝网多尺度多流态渗流模拟、多区域结构压力动边界扩展、多重介质(特别是改造区)渗流-应力-介质变形耦合非线性复杂渗流、以及页岩气藏开采产能预测等问题,通过物理模拟实验、理论分析、数值仿真等相结合的方法,实现了多尺度、多区域、多场耦合渗流模拟,具体展开了以下研究工作:(1)建立了不同形态缝网表征的全过程多尺度流动统一模型。通过巴西劈裂实验,联用声发射实验监测技术确保人工压裂缝的形态完整性,诱导裂缝产生;经X射线CT扫描,观测岩样内部压裂缝形态,测得压裂缝开度;在页岩气多尺度非线性渗流基础上,针对压裂裂缝网络形态的复杂性,探究了不同形态复杂裂缝网络气体渗流机理,实现了裂缝网络结构的准确表征方法及数学描述;并与常规致密储层缝网形态及表征方法进行对比。(2)建立了层理发育页岩气储层三区耦合非线性渗流数学模型。基于页岩气储层三区渗流物理模型,将水平井体积压裂流动分为三区模型:Ⅰ改造区(主改造区、次改造区)、Ⅱ未改造区、Ⅲ水平井筒区;建立了多级压裂水平井复杂缝网非线性稳定渗流模型,分析了页岩气储层多尺度流动,形成了产能计算方法;考虑层间层内非均质性,进一步研究了层理页岩储层各向异性渗流规律及产能影响因素;揭示多级压裂水平井基质-压裂缝-井筒耦合流体流动规律,综合对裂缝间距、裂缝开度及压裂范围进行优化,指导现场压裂生产。(3)建立了页岩气储层有效动用边界动态预测方法。利用稳定状态依次替换法推导了考虑解吸、扩散、滑移的页岩气储层未压裂、单一裂缝压裂、复杂裂缝压裂条件下压力扰动传播动边界随时间变化的关系式;建立了页岩气储层不压裂及压裂(渗透率分形分布/高斯分布)不稳定渗流压力特征方程,得出了井底压力变化规律;进而分析了页岩气储层不压裂及压裂井(渗透率分形分布/高斯分布)产气量随时间的变化。(4)建立了页岩气高效开发流固耦合非线性渗流数学模型。从渗流微观-宏观动力学行为出发,通过应力敏感实验研究储层流固耦合作用与流体流动规律;搞清了微观与宏观有效应力的相互作用关系,并建立了孔隙度和渗透率在有效应力作用下的数学模型;以多区复合为特征,建立页岩储层水平井体积压裂流固耦合非线性渗流数学模型,并形成页岩储层水平井体积压裂流固耦合非线性渗流数值模拟方法和技术;通过理论分析和实验研究,选择典型实例进行模拟分析和验证模型的准确性。以上研究为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据。