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岩土介质渗流具有显著的孔隙尺度效应。微观渗流力学模型基于岩土介质的复杂孔隙结构,考虑不同孔隙尺度下流体流态变化,能够反映多相流、阻滞、指进效应等现象的动态微观特征。本文总结了孔隙介质微观渗流的研究现状,发展了考虑孔隙尺度特征的渗流理论模型;构建岩土介质孔隙结构模型,结合发展的孔隙尺度渗流理论,建立了微观渗流力学模型;基于微观渗流力学模型,以页岩气开采、CO2在页岩储层中地质封存为工程背景,对微纳米孔隙介质中单相、两相及多组分流体运移微观机理进行了系统研究。论文取得的新成果包括:发展了描述气体渗流的多流态理论模型。模型充分考虑不同岩土介质中孔隙尺度差异引起流动机制的转变。基于气体分子动力学理论,考虑气体分子间碰撞频率变化引起宏观流动状态动态变化,引入碰撞频率比例因子修正质量流量表达式,较好反映流动过程中多流态动态过渡,并推导表观渗透率计算式。此外,将多流态理论模型与吸附/解吸附、变形等物理机制耦合,建立了页岩气开采过程中多物理场-多流态耦合模型。建立了岩土介质孔隙结构模型。将岩土介质孔隙结构进行特征参数概化,通过孔隙度、孔隙尺寸分布、孔隙间连通性等基本特征参数构建描述不同岩土介质微观孔隙结构的数学模型。模型可以反映不同岩土介质多向连通、各向异性等特征。此外,将孔隙模型应用到微纳米尺度孔隙介质中渗透性分析,获得低渗透率岩土介质的固有渗透率等水力特征参数。建立了微观渗流力学模型,应用于工程问题微观机理分析。针对页岩气开采,发展了孔隙尺度单相渗流模型,分析储层渗透率的动态变化、优势流动等微观机制;针对水力劈裂过程中劈裂液与页岩气的两相渗流特征,建立了孔隙尺度两相流模型,有效模拟多相动态驱替过程;分析CO2注入页岩储层可行性,建立了孔隙尺度多组分运移模型,考虑多组分竞争吸附、相态变化等微观机制。本文发展的岩土介质孔隙结构模型和微观渗流力学模型可为工程渗流问题的计算分析提供科学依据。