页岩储层水力压裂改造可产生大范围的复杂缝网,但基质孔隙中气体仍难以采出,储层热处理可促使基质内次生裂隙发育,形成多尺度气-水渗流通道,增强气体热解吸与传输能力,提高开采寿命内的产能。因此,储层热处理增产是一个多物理场和多相耦合作用的过程,具有重要的科学和工程意义。本文综合运用室内试验测试、理论解析与数值模拟等手段,针对非均质页岩储层热破裂增透问题,从矿物组分与孔裂隙结构特征分析入手,提出考虑基质热破裂的渗透率演化模型、气-水两相耦合流动分数阶解析解和导出产能预测模型,揭示页岩储层体破裂增透的热-气-液-固耦合机制。取得了以下创新性成果:(1)通过试验研究,获得不同热环境下页岩矿物组分、孔裂隙结构与渗透率演变特性。模拟页岩储层不同热处理工况,对庐山页岩试样进行了从低温(-196℃)至高温(300℃)之间的11种温度处理,利用X射线衍射、电镜扫描和高压压汞测试,测试了页岩矿物成分与基质孔隙结构演变规律。研究发现,在加热过程中,页岩依次经历热挥发导致的中孔发育、矿物热膨胀导致的微孔比例大幅度上升、基质热破裂导致的中孔发育及中大孔贯通的过程,渗透率先增大后小幅减小,在200℃之后剧烈增大;在冷冻过程中,-38℃前基质收缩导致孔隙总体积变小,而后由于不同矿物颗粒变形不协调,导致中大孔大量发育,渗透率增加显著;从低温到高温,白云母的含量变化与渗透率行为表现一致,而石英对高温更敏感。(2)提出考虑页岩基质热破裂的三参数渗透率演化新模型。考虑页岩中裂隙和基质的不同变形规律,将岩石储层分为“软”的部分(裂隙)和“硬”的部分(基质),分别遵循基于自然应变和工程应变的胡克定律,在经典火柴盒模型的基础上,提出了一种考虑裂隙岩石不均匀变形和热破裂过程的三参数渗透率演化模型。该模型能够描述原生裂隙的压实和次生裂隙的形成,获得有效应力、温度变化、裂隙和基质的本构行为差异对于渗透率演化的影响规律。(3)建立迂曲孔裂隙中的热-气-水耦合流动与产能预测解析模型。考虑页岩气在水中的溶解度,建立了页岩气-水两相流模型,在没有忽略两相流耦合模型非线性项的基础上求得了气-水压力与产量的迭代解析解,探讨了两相流耦合作用非线性项、气体溶解度和毛细管压力对页岩气产能的影响;考虑温度与裂隙岩石渗流路径的迂曲性,以分数阶时间和空间导数形式描述热传导与两相流动之间的耦合作用,进一步建立了页岩分数阶热传导与分数阶热-气-水流动耦合模型,并应用分数阶行波法与变分迭代法得到流体温度及气、水产量的解析解。(4)揭示了非均质页岩储层破裂增透的热-气-液-固全耦合作用机制。综合运用考虑气体吸附和热膨胀作用的页岩储层变形场方程、考虑气体溶解度的气-液两相连续性方程与运动方程、考虑热传导与热对流作用的热传输控制方程,构建了页岩气开采的热-气-液-固多物理场耦合数值模拟模型,研究了非均质页岩储层应力场、温度场与渗流场之间的相互作用机制,分析了注热温度对储层热处理过程中气体产量的影响,评估了储层热处理对于增加页岩气产能和延长开采周期的有效性。该论文有图54幅,表12个,参考文献188篇。