页岩气在页岩微纳米孔隙和裂缝系统中的流动是一个多物理场耦合的复杂过程。准确理解页岩气在页岩中的运移对页岩气的高效开采有着重要的意义。本文考虑页岩固体变形和包括黏性流、Knudsen扩散和表面吸附扩散的多重流动机制,利用COMSOL Multiphysics软件对页岩气的运移进行了数值模拟和参数分析。重点关注页岩变形情况下,表面吸附扩散和页岩储层特性参数对页岩气流动能力的影响。本文的主要工作包括:(1)基于各向同性弹性孔隙介质的Biot理论,考虑固体变形和多重流动机制的耦合,即应力-渗流耦合,分别建立了页岩储层单孔介质模型和双孔介质模型的流固耦合方程。包括页岩储层变形平衡方程、页岩气体流动控制方程、孔隙度演化方程和视渗透率方程。(2)基于页岩储层单孔介质模型,对单轴应变和应力约束条件下的页岩气运移进行了数值模拟,定量分析了表面吸附扩散和页岩储层参数对表征页岩气流动能力的固有渗透率、视渗透率和Knudsen数的影响。研究发现:页岩气的运移取决于孔隙压力、解吸附、Knudsen扩散和表面吸附扩散等因素相互竞争的结果。表面吸附扩散与Knudsen扩散是相互独立的两种流动机制,是决定页岩气流动能力的两个关键因素。尤其随着压力的降低,表面吸附扩散的影响更加明显,忽略该影响将给出更低的视渗透率,即更弱的气体流动能力。相比表面吸附扩散和Knudsen扩散,页岩变形对渗透率和Knudsen数的影响很小。其中,影响页岩气流动Knudsen数的参数包括页岩初始孔隙率、页岩初始渗透率、孔隙体积模量和页岩边界压力;对视渗透率有较大影响的参数有页岩初始孔隙率、页岩初始渗透率、页岩初始杨氏模量、孔隙体积模量、Langmuir压力常数、Langmuir体积应变、页岩边界压力和约束应力;而对固有渗透率产生较明显影响的参数则包括页岩初始杨氏模量、页岩颗粒体积模量、孔隙体积模量、Langmuir压力常数、Langmuir体积应变、孔隙吸附应变与页岩吸附应变比值、页岩边界压力和约束应力。此外,在应力约束条件下,页岩气流动能力通常比单轴应变条件下稍弱,各参数对页岩气流动能力的影响与单轴应变条件下相似。(3)基于页岩储层双孔介质模型,对单轴应变条件下的页岩气运移进行了数值模拟和参数分析。研究表明:当存在天然裂缝时,基质孔隙中的页岩气流动明显加快,但对于给定的孔隙压力,页岩气在基质孔隙中的流动能力几乎没有改善。由于裂缝系统的高渗透率,裂缝系统的表面吸附扩散对基质孔隙中页岩气流动能力和流动速率的影响可以忽略。裂缝系统对基质孔隙系统流动能力的影响主要通过改变页岩的固体变形来实现,主要的影响参数有裂缝系统的Langmuir压力常数、Langmuir体积应变以及裂缝系统的杨氏模量。