天然气是优质高效、绿色清洁的低碳能源。加快天然气的开发利用可以有效推进我国能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。扩散作用是气藏内气体通过上覆盖层而损耗的主要方式之一,为了有效评估气扩散对气藏的破坏作用,必须深入探索气藏中气体通过盖层扩散过程的动态演化规律。基于以上背景,开展了气藏条件下气-液扩散的实验与模拟研究。提出一种应用低场MRI检测气体在纯水/水饱和多孔介质中的扩散过程的实验方法。该方法通过同步实时监测扩散过程中液相的一维质子密度和气体压力变化,计算液相中气体浓度分布,基于菲克第二定律,求解得到在扩散过程中随时间和位置变化的气体扩散系数。结果表明,在扩散过程中CO2压力呈指数形式衰减,水相的质子密度信号逐渐减小,CO2逐渐溶解进入水中并形成浓度梯度。扩散系数在水相中有先增大后减小的趋势,并且随着扩散的进行水相中各个位置的扩散系数逐渐减小。将MRI法实验结果与传统的PVT法相对比,二者结果吻合良好,证明低场MRI法测量气-液扩散系数的方法是可行的,可以实现对扩散过程的动态、无损、准确分析。构建了一种水饱和岩石多孔介质中气-液有效扩散系数的计算方法。建立了岩石多孔介质迂曲度的分形理论模型,通过多孔介质迂曲度对气体在纯溶液中的扩散系数进行修正,得到气体在饱和多孔介质中的有效扩散系数。假设多孔介质中孔隙通道是由相同长度和相同孔径的平行通道组成,基于多孔介质T2分布和分形理论,计算得到多孔介质孔隙数目与平均孔隙直径,再通过多孔介质孔隙体积计算得到多孔介质的孔隙迂曲度。为了验证迂曲度计算模型的准确性,通过在相同温压条件下CO2在纯水/水饱和石英砂的扩散系数计算得到石英砂的迂曲度,与本多孔介质迂曲度计算模型结果相比较,二者数值较为吻合,该多孔介质迂曲度计算模型计算结果较为准确。建立了宏观尺度气藏条件下盖层中气体非稳态扩散的数学模型。综合考虑了气藏地质特征、盖层厚度、埋藏深度、气藏压力、温度、扩散时间、扩散系数、气体溶解度、浓度梯度等影响因素,建立宏观尺度气藏条件下多孔介质中气体非稳态扩散过程的数学模型。分别计算了不同岩性、厚度条件下盖层中CO2和CH4浓度分布和气体散失量。结果表明,随着扩散的进行,气藏压力下降,盖层底部孔隙水中的气体溶解度和盖层中浓度梯度逐渐减小,单位时间内的扩散散失量逐渐减小。此外,发现在相同的地质条件和演化时间下,由于CH4在水中的溶解度远小于CO2,导致CH4在盖层中浓度梯度更小,CH4的扩散散失量远小于CO2扩散散失量。