页岩气是以吸附态和游离态为主,并赋存于有机质泥页岩及其夹层中的非常规天然气,是一种高效、清洁的天然气资源。页岩气藏储层孔喉结构复杂、纳米尺度孔隙发育,气体的储集和运移方式与常规油气藏表现出很大差异。页岩储层微孔、介孔、宏孔以及微裂缝发育,属于典型的多尺度储集和渗流空间;游离气与吸附气共存是页岩气藏的另一典型特征。为合理表征页岩气藏纳米孔隙内的气体输运行为,明确各气体输运机理对页岩气藏生产动态变化的影响,本文根据页岩气藏储层和流体特征,开展以下研究工作:(1)针对页岩气藏纳米孔隙气体输运物理模型,考虑气体的微尺度效应和真实气体效应,采用真实气体方程描述游离气状态,其中,气体在纳米孔隙中分子自由程变化和气体热动力学行为变化通过气体偏差因子进行表征;同时,给出了真实气体的黏度和浓度计算公式。(2)考虑气体分子在纳米孔隙壁面的吸附作用、页岩储层的压敏效应、吸附气对纳米通道的占据效应、动态吸附与解吸效应以及真实气体效应等影响,建立了页岩气藏纳米孔隙滑移流动阶段的渗透率模型,并分析了在气藏开发过程中滑脱效应、应力敏感性以及吸附气占据等对气体流动能力影响的相对强弱。(3)针对页岩气藏纳米孔隙内存在的多重气体输运机制,综合考虑黏性流动、滑脱效应、Knudsen扩散以及表面扩散,建立了纳米孔隙气体传输的综合表观渗透率模型,得到了不同输运机理的等效渗透率,并分析了各气体输运机制在不同条件(压力和孔径)下对气体总传输的贡献率大小。(4)利用Knudsen数划分流态,绘制了考虑真实气体效应的流态划分图版,并给出了页岩气藏储层内可能出现的不同流动机理;分别考虑干酪根内溶解气向纳米孔隙系统拟稳态扩散和非稳态扩散以及纳米孔隙系统内气体向天然微裂缝系统拟稳态窜流和非稳态窜流,建立了四种页岩气藏微观渗流机理模型,并对模型进行了求解。(5)综合考虑页岩气藏储层内的多尺度储集空间和多重运移机理,采用“拟四孔”介质模型和点源函数的方法,对盒状页岩气藏内一口多级压裂水平井的压力传播动态进行了研究,重点分析了 Knudsen扩散、表面扩散、吸附解吸效应,溶解气扩散以及裂缝参数等因素对试井曲线的影响,并给出了定性表征吸附气和溶解气含量大小的参数表达式。本文揭示了页岩气藏纳米孔隙内气体的储集和运移机理以及气体在页岩气藏多尺度空间中的渗流规律,明确了滑脱效应、Knudsen扩散、表面扩散在气体微尺度流动中的贡献,分析了真实气体效应、应力敏感、吸附解吸等因素在页岩气藏开发过程中对渗透率的影响,得出了滑脱效应、Knudsen扩散、表面扩散、吸附气以及溶解气等因素对页岩气藏多级压裂水平井生产动态规律的影响。该研究成果对于我国页岩气有效开发具有重要的理论价值和实际意义。