综述：页岩地质力学与变形特性、流体流动行为及生产过程中流固耦合效应的实验与理论研究综述

这篇综述系统梳理了页岩储层开发中的核心挑战，聚焦超低渗透率（ULP）、各向异性等特性对流体传输（包括非达西流、滑脱效应）与地质力学响应（如应力敏感性、杨氏模量Young's modulus）的耦合影响，为页岩气（shale gas）开采和CO2封存技术优化提供了关键理论支撑。

　　

页岩储层的独特性质

页岩作为非常规油气资源的核心载体，其矿物组成以石英（～45%）和黏土（～50%）为主，有机质（TOC）含量直接影响烃类生成潜力。纳米级孔隙网络（<10 nm）导致显著的尺寸效应，流体在其中的传输行为偏离经典达西定律，表现为滑脱流、克努森扩散等多机制耦合。

地质力学特性与变形机制

页岩的力学性质高度依赖矿物组分、层理面取向和原位应力。弹性参数如杨氏模量（6×10⁶-10×10⁶ psi）和泊松比控制岩石变形，而高压条件下体积模量（>10 GPa）会削弱孔隙半径对渗透率的影响。巴西试验（Brazilian Test）等间接方法常用于测量抗拉强度，但需警惕样品边缘破裂导致的误差。

流体流动的复杂性

气体在页岩中的表观渗透率（apparent permeability）受克努森数（Knudsen number）调控，低压环境下纳米孔隙内滑脱效应显著提升流动能力。吸附层动态（可移动性与否则争议）通过改变孔隙水力直径和迂曲度影响渗透率，而应力敏感参数（如孔隙压缩系数）在降压开采过程中呈现非线性演化。

流固耦合作用与开采优化

完全耦合模型（fully coupled）能精确模拟流体流动与地质力学响应的相互作用。研究表明，高杨氏模量地层中力学特性对累计产量的影响可忽略，但低压阶段地球物理参数对压力变化的敏感性远超力学指标。水平井多级压裂（multistage fracturing）结合CO₂驱替（EOR）成为提升采收率的关键技术路径。

技术前沿与挑战

纳米限域效应导致流体相行为异化（如临界温度降低），而页岩的脆性指数（brittleness index）决定了压裂效果。未来需整合实验数据与水力耦合模型（hydromechanical models），以解决超低渗透储层（ULP）的注采矛盾。