我国有丰富的页岩气资源,技术可采资源量达21.8万亿立方米,探明率仅4.8%,资源潜力巨大。页岩气是油气勘探开发的非常规领域,其开发理论、技术和政策等都有别于常规油气,开展页岩气相关理论、方法研究对页岩气的规模有效开发有重要的理论和实际意义。页岩储层渗透率极低,必须经过压裂改造才能形成有效产能。目前,工厂化水平井钻井、数万方液、数千方砂的大规模水平井分段多簇压裂成为页岩气开发的主体技术,通过大规模“切割”、“击碎”页岩,缩短运移距离、提高运移速度、从而释放更多页岩气。与直井和普通水平井相比,多级压裂水平井的泄流面积明显增大,能有效改善近井地带渗透率,沟通地层中的孔缝,并在地层中建立气体有效流动通道,提高页岩气井产量,从而实现商业开采。然而,目前对于页岩气藏特殊渗流规律的研究还远远落后于生产实践:页岩气藏复杂的多尺度储渗空间和多样的赋存方式,导致气体在流动过程中呈现出强非线性、多重输运机制特征,缺少综合的渗流模型对页岩气藏多尺度渗流规律进行耦合表征;此外,大规模水力压裂改造在提高产量的同时,也在水平井周围形成了复杂的裂缝网络,如何合理地描述多级压裂水平井周围的复杂缝网形态和流动特征,并实现对压后生产动态的准确模拟和预测成为制约页岩气藏高效开发的技术瓶颈。为此,本文在页岩气多尺度渗流理论研究的基础上,开展页岩气藏多级压裂水平井数值模拟理论、方法研究,有很好的理论价值和实际意义。论文有很大的难度,通过研究,完成的主要工作如下:1、在广泛文献调研的基础上,以四川盆地龙马溪页岩为研究背景,结合已有的X射线衍射、扫描电镜、低压氮气吸附、有机碳（TOC）测试、单轴/三轴岩石力学测试等实验和测试成果,进一步开展了页岩岩样核磁共振、岩屑压力衰竭测试、CH4等温吸附等室内实验,系统总结和分析了页岩岩石学特征、页岩孔隙结构特征、页岩物性（孔隙度、渗透率）特征等。2、基于页岩储层物性特征、孔隙类型和结构、储渗方式以及运移机制的研究,综合考虑吸附-解吸、滑脱、Knudsen扩散、表面扩散、应力敏感效应以及气体高速非达西流动等非线性渗流机理,建立了不同尺度下的页岩气渗流数学模型,并通过连续介质-离散裂缝模型耦合多尺度渗流机理,构建了页岩气藏多级压裂水平井单相气和气-水两相综合渗流模型。3、为避免传统正交网格对裂缝周围进行局部加密导致的网格数目和计算量的大幅增加,采用非结构三角形网格、四面体网格,结合控制体积-有限元方法,构建了气-水两相渗流全隐式数值模型;考虑层间物性差异,基于非结构三棱柱网格,采用控制体积-有限元和有限差分混合算法,构建了多层页岩储层多级压裂水平井综合渗流模型的全隐式数值模型。4、采用整体和局部复合区域模型、分支缝网模型、随机压裂裂缝模型、Monto Carlo随机天然裂缝分布模型、基于微地震数据的离散裂缝模型,对页岩气藏水力压裂改造形成的复杂缝网形态进行了表征;基于位移不连续方法,构建了考虑压裂施工参数的压裂裂缝扩展、水平井筒和裂缝内流动的流-固耦合模型;考虑天然裂缝形态和地应力分布的影响,建立了复杂压裂裂缝缝网扩展模型。5、采用Matlab和C++混合编程语言,研制了页岩气藏压裂与生产动态耦合模拟软件（SFSIM）,实现了从压裂缝网扩展预测,模拟结果输出与输入,网格粗化,数值模拟结构建模和属性建模,到生产动态预测的一体化模拟。将软件计算结果同解析解和商业软件模拟结果进行了对比,验证了模型和算法的准确性。利用该软件,开展了页岩储层属性、多尺度渗流、缝网形态特征、生产制度等对多级压裂水平井生产动态的影响和参数优化研究;并将一体化模拟软件应用于四川盆地龙马溪组水平井多级压裂与生产动态模拟,模拟结果对现场有很好的指导作用。