页岩气已成为全球非常规资源勘探开发的热点,水力压裂是实现页岩开发的有效手段,形成具有一定导流能力的网络裂缝是页岩压裂的核心目标。区别于常规储层,页岩压裂缝主要为支撑剂无法进入的自支撑裂缝,其导流能力是影响产能的关键因素。目前自支撑裂缝导流能力研究以实验为主,但实验研究存在难以分解多因素影响、测试条件有限、制样难度高、费时昂贵等不足。因此,本文围绕页岩自支撑裂缝导流能力数值模型,系统开展了页岩粗糙错位裂缝模型、应力作用下粗糙错位裂缝变形模型和粗糙裂缝形态内流体流动模型研究。在模型建立过程中以川南龙马溪组页岩为例,对格子模型进行特征分析和验证,并将该地层特征参数带入总模型进行导流能力作用规律分析。研究成果可作为实验研究的有效补充。首先,通过裂缝剪切错位力学分析获得裂缝剪切错位发生范围,结合三维激光扫描数据重构的粗糙裂缝表面,经过去除基底、对称放置、错位移动、双壁面单点碰撞等数据处理步骤获得双粗糙表面组合形成的粗糙错位裂缝形态。川南龙马溪组页岩天然裂缝发育,具有发生剪切错位基础,平均错位量为2.5mm,组合建立的粗糙错位裂缝形态中缝宽表现为类似正态分布的单峰特征且呈现极强分形特征,分形维数为2.475-2.771。其次,将页岩应力应变特征抽提为弹-脆-塑性模型,弹性阶段使用广义胡克定律计算,并通过定义应力突变系数Mc实现弹性阶段向脆塑性阶段变化过程,以此为基础,通过离散微元接触压缩量计算、离散微元受力变形计算、应力损伤判定等三组计算模型构成应力作用下粗糙错位裂缝变形模型。使用该模型分析川南龙马溪组页岩获取该地层应力突变系数Mc取值0.5。使用伍德合金铸造法对受力后的裂缝形态进行真实反演,实验数据表明真实裂缝反演数据与裂缝变形模型计算数据匹配性较好,特征参数匹配效果可达到90%。再次,建立模拟计算粗糙裂缝形态的BGK格式D3Q19格子模型的三维LBM流动模型。边界条件为:固液边界使用标准反弹格式、流体边界使用重力驱动的周期流动边界、选用正方体网格作为计算网格、以“01标志位”处理粗糙裂缝边界,形成完整模拟计算过程。使用规则圆管泊肃叶流动对流动模型进行验证,说明模型建立正确。最后,联立页岩粗糙错位裂缝模型、应力作用下粗糙错位裂缝变形模型和粗糙裂缝内流体流动模型构建页岩自支撑裂缝导流能力数值模型。通过创新实验设备“自支撑裂缝导流能力测试装置”和方法“页岩气自支撑裂缝导流能力测定推荐方法”以川南龙马溪组页岩为例对总模型进行验证,验证结果说明建立的数值模型具有较好模拟精度。使用该数值模型,对川南龙马溪组页岩自支撑裂缝重要影响因素进行正交试验分析,获得各影响因素排序为:闭合应力>裂缝粗糙面粗糙度>错位量>抗压强度>杨氏模量>泊松比。本文建立的页岩自支撑裂缝导流能力数值模型可有效预测、分析导流能力变化规律。研究成果可为页岩的压裂设计、产能评价、生产制度优化等提供基础参数,同时对其他粗糙裂隙内流动研究具有借鉴意义。