煤层气作为一种非常规油气资源,目前正逐渐成为常规天然气的重要接替。目前,我国已在部分煤层气盆地进行了商业化开发尝试并取得了突破性进展。然而,由于煤层孔隙结构及流体运移过程的复杂性,且目前尚缺乏一套微观层面的研究方法,导致煤储层条件下气-水两相赋存流动的机理尚未完全厘清。数值模拟作为煤层气藏评价、开发效果预测的一种重要手段,其准确性和可靠性依赖于相应的流体赋存运移机理描述的完善性。因而采取多种研究手段对煤层气运移规律进行研究,进而对数学模型进行完善并形成相应的数值模拟方法,对于指导煤层气藏的合理高效开发具有重要意义。首先,开展了不同煤阶煤样的等温吸附/解吸实验,对于吸附过程,采用交替条件期望方法建立了多因素共同控制下的甲烷吸附能力预测模型,定量化分析了影响甲烷在煤岩中吸附能力的地质因素;对于解吸过程,探讨了产生解吸滞后效应的内控机理,并基于非平衡吸附及微扰理论,构建了煤层气体解吸过程的吸附量描述方程,开展了方程的适应性评价。其次,针对基质中的气体扩散过程,基于逾渗理论建立了考虑水相赋存影响的煤层气扩散动态变化孔隙级网络模拟方法;针对裂隙中的渗流过程,基于岩石线弹性变形理论构建了考虑裂隙开度非瞬态变形的控制方程,通过耦合裂隙开度变化控制方程和渗流孔隙级网络模拟方法,形成了一套煤岩渗透率动态变化计算方法。通过大量实验数据对所建立的模拟方法的准确性进行了验证,并在此基础上,开展了煤层气扩散系数及渗透率动态变化规律研究,通过煤基质孔隙分布特征、水分以及气相压力对煤层气扩散系数变化的影响分析,建立了煤层气扩散系数动态变化描述方程,而通过分析裂隙空间分布离散性及开度非均质性对渗透率演化的作用效果,构建了新的渗透率演化数学模型。再者,基于前述研究成果,综合考虑不同煤阶煤岩孔隙及流体赋存运移特征,完善了煤岩孔隙介质系统划分,建立了一套改进的煤层气/水两相赋存流动的双孔单渗数学模型,新模型较为全面地考虑了气、水在基质和裂隙孔隙系统中的多种赋存和流动机制;采用全隐式有限差分方法对数学模型进行了求解,并通过与商业软件的对比验证了模型计算的准确性;在此基础上,分别针对低阶和中高阶煤储层典型气井开展了历史拟合研究,结果表明改进模型的适用性明显优于传统的双孔单渗模型。最后,针对煤层气井网井位优化问题多变量、多峰值、不连续的特点,提出了基于随机优化算法的煤层气井网井位分步优化方法,通过收敛速度、稳健性、寻优质量等指标对比分析了不同优化算法(遗传算法、粒子群算法、差分进化算法)和优化策略(分步优化策略、直接优化策略)的优化性能;在此基础上,开展了实际区块的井位优化研究,分析评价了井位优化前后的开发效果。