页岩气产能最大化是页岩储层完井参数设计的最终目标,而考虑多物理场耦合作用下页岩气流动是准确建立产能模型的基础。本文采用理论分析与数值模拟的方法,对页岩气生产过程中基质内流固耦合特性和人工裂缝参数优化开展了研究,主要研究工作和成果如下:(1)根据孔隙弹性介质理论,考虑甲烷气体真实物性参数变化和纳米尺度下甲烷非达西流动特性,建立了页岩基质变形与气体流动的全耦合数学模型。分析发现基质压缩和孔隙压力共同影响页岩基质孔隙度和表观渗透率:由于孔隙压力衰减导致的基质压缩使得孔隙度和表观渗透率减小,而当孔隙压力降低一定程度后,由于气体解吸附和非达西流动特性增强,页岩基质孔隙度和表观渗透率会增加。(2)建立了基于有限元法的页岩基质流固耦合数值计算方法,采用增量法和循环迭代法保证了解的收敛性,自行编制了计算机模拟程序,计算得到了井筒周围页岩基质内流固耦合特性。结果表明:随页岩气孔隙压力降低,页岩基质孔隙度和固有渗透率在井筒附近降低;井周压应力随孔隙压力的降低而减小,孔隙压力降低幅度越大则压应力减小越明显;生产过程中井底压力的降低将会改变井周有效应力的大小和方向,最终将导致页岩基质的孔隙度和固有渗透率降低。(3)引入离散裂缝并考虑裂缝受压缩造成的导流能力损失,建立了页岩气水平井多级压裂产能计算模型,利用有限元求解器对数学模型求解,分析了人工裂缝特性对页岩气生产影响规律。结果表明:考虑基质变形和有效应力控制的裂缝导流能力将提高页岩气产量评估的准确性;只有当人工裂缝(包括主裂缝和次生裂缝)初始导流能力较低时,裂缝压缩对产量有较明显的降低作用;只有在较高初始导流能力条件下形成的缝网才会显著提高累积产量。(4)基于页岩气储层流固耦合特性,利用试验设计法和本文建立的产能模型优选页岩储层人工裂缝参数。通过优选得出:主裂缝半长是影响页岩气产量最显著的因素,其次是裂缝级间距和裂缝簇间距,裂缝导流能力对累计产量影响最弱;累积产量与主裂缝半长近似呈线性关系增长,存在最优裂缝级间距和簇间距,给出了典型条件下各人工裂缝参数的设计参考值。本文的研究结果可望为页岩气水平井多级压裂裂缝参数优选提供理论基础。