页岩气作为战略性非常规能源,对保障国家能源安全和优化能源结构意义重大。页岩储层通常具有低孔低渗、孔裂共存及强非均质性等特点,气体运移受多尺度孔隙结构和热力–流动–应力等多物理过程耦合影响。传统单一尺度与达西假设的渗流模型,难以精准刻画纳米孔隙非连续流动、裂缝导流能力演化及储层结构动态响应,亟需构建多机制、微–宏贯通的多物理场耦合建模体系。 本研究围绕页岩储层中气体运移的微观机制与宏观响应,构建了融合分子模拟、物理建模与数值求解的多尺度热–流–固耦合模拟方法。首先,基于分子动力学方法分别构建Ⅱ型干酪根与SiO₂孔壁模型,模拟甲烷分子在323–343K温度范围下的吸附–扩散行为,获得界面吸附构象、密度分布、扩散系数(1.26×10^-9–1.91×10^-9m²/s)与激活能(分别为13.27与11.26kJ/mol)等关键物理参数,建立“扩散系数–孔径–温度”响应关系;其次,构建融合达西流、滑移流与Knudsen扩散机制的多机制渗流模型,依据孔径范围(20–100nm)设置流态转换准则,并联立能量守恒与动量守恒方程,显式引入吸附–解吸热效应、热膨胀应力及应力敏感渗透率调节机制,形成封闭的热–流–固耦合控制体系;进一步在COMSOL平台上搭建二维裂缝–基质结构模型,嵌入微观参数与本构关系,模拟多工况下储层压力、应力与温度场的动态演化过程。 研究结果表明,甲烷在干酪根表面形成多层吸附结构,其单位吸附量为0.052mmol/m²,约为SiO₂的2.5倍,扩散能力下降约34%,且对温度扰动更为敏感。在宏观尺度上,裂缝在开采初期形成主要渗流通道,基质区域则逐步参与补给,渗流路径呈现由“裂缝主导”向“基质支撑”过渡的时序演化特征。多物理场间的反馈关系表现为裂缝–基质界面处压力、应力与温度扰动的协同响应区域,其演化规律与结构耦合特征密切相关。通过±20%扰动模拟,裂缝宽度与边界温度为最主要影响因素,其中裂缝宽度增加20%导致孔隙度比值升高0.20%、渗透率提升达41.3%;边界温度升高20K引起热致压实效应,使孔隙度下降0.42%。相较之下,扩散激活能等微观参数对结构演化影响有限,但对气体输运效率与路径连通性具备明显调节作用。本文构建的多尺度、多机制、多物理场耦合建模方法,系统反映了页岩储层中热–力–渗流耦合驱动下的结构响应与输运行为,初步实现了微观机制向宏观模型的有效嵌入,为低渗复杂储层的物理场建模与开发调控策略提供了坚实的理论基础与数值支撑。