我国页岩气可采资源量丰富,据估算国内主要盆地和地区的页岩气资源量超过26万亿方,位居世界前列,经济价值巨大。随着威远、长宁、涪陵页岩气田的快速建产,截止到2015年累积页岩气产量超过60亿方,基本实现了页岩气的规模生产,成为全球第三大页岩气生产国。虽然目前国内外在水平井完井技术及压裂增产工艺等方面取得了成功,但对于页岩气在储层中的运移机理及复杂渗流理论的研究还远落后于开发实践。因此,深入研究基于多尺度运移机理的页岩气藏压裂井渗流理论,对于经济高效地开发页岩气资源具有重大的理论价值和现实意义。从目前调研到的研究成果来看,页岩气藏与常规油气藏相比主要有以下几点区别：①特殊的储集方式：页岩气藏具有自生自储的特点,其中含有大量的烃源岩,因此除了储存在孔隙和微裂缝中的游离气和孔隙壁上的吸附气,还有部分气体溶解于干酪根中；②多尺度运移机理：页岩中含有大量的纳米孔隙,而气体在纳米孔隙中的流动不是Darcy流动。此外页岩中还存在大量的微米级孔隙和微裂缝,而气体在此类孔隙中的流动与纳米孔隙又不相同；③页岩过于致密,因此需要进行水平井开采及压裂措施才能得到页岩气的经济产量。由于页岩气藏与常规储层存在巨大差异,已有的常规气藏开发理论与方法并不能直接应用于指导页岩气藏开发。根据上述页岩气藏存在的问题,本论文从页岩的孔隙结构特征及页岩气的储存机理出发,从不同尺度分别对页岩气的产出机理进行了物理描述及数学表征,在此基础上针对页岩气的复杂储存及多尺度流动机理,建立了单相气体流动时的稳定渗流及不稳定渗流模型；然后建立了适用于页岩气藏中不同流态(连续流、滑脱流、过渡流和自由分子流)的多尺度综合渗流方程,在考虑气体解吸、多重流动机制以及压裂水平井生产的基础上,建立了页岩气藏气-水两相三维计算机模型,并进一步探讨了Knudsen扩散和滑脱效应、等温吸附参数、气-水两相流动以及压裂增产措施对压裂水平井产量的影响,归纳起来有以下结论和认识：(1)对页岩气储层微观孔隙结构、气体储集方式以及运移机理进行了部分实验及理论研究,分别从不同尺度对页岩气的运移及产出机理进行了物理描述及数学表征。(2)通过计算不同压力和孔隙尺寸下的Knudsen数,分析了气体在页岩气藏中的流动形态,研究发现气体在页岩气藏中的流动主要以连续流、滑脱流和过渡流为主,因此不能再单一地用达西公式来表征。(3)基于Beskok-Karniadakis公式建立了能模拟连续流、滑脱流、过渡流和自由分子流不同流态下的多尺度综合渗流方程,并推导出考虑有限导流压裂裂缝的压裂直井和压裂水平井稳态产能公式,且在模拟中考虑了Knudsen扩散系数随孔隙尺寸变化的情况,最后得到的页岩气藏压裂井的IPR曲线,并分析了Knudsen扩散和滑脱效应、储层物性和人工裂缝参数对气井产能的影响,为气井动态分析提供了理论基础。(4)在考虑页岩气在纳米孔隙中的解吸、Knudsen扩散和滑脱效应、天然裂缝中的达西流动以及人工裂缝的基础上,建立了页岩气多尺度流动的非稳态渗流模型(区别于传统页岩气藏双重孔隙介质模型)；并在此模型的基础上建立了考虑存在于干酪根中的溶解气扩散过程(补充的储存机理)的三重孔隙介质模型,通过Ozkan的点源方法对具有不同顶底及侧向边界的页岩气藏压裂井井底压力和产量公式进行了推导,通过Stehfest数值反演方法编程绘制出页岩气藏压裂井的瞬态井底压力及产量随时间的典型曲线,并分析了溶解气扩散、气体解吸、Knudsen扩散及滑脱效应相关参数对瞬态压力曲线及产量动态曲线的影响。该图版不仅能得到储层的流动特征,并且与现场数据进行拟合可以得到压裂井和储层的物性参数。(5)利用基于Beskok-Karniadakis公式建立了适用于页岩中不同流态(连续流、滑脱流、过渡流和自由分子流)的多尺度综合渗流方程,在考虑纳米孔隙中的Knudsen扩散和滑脱效应、气体解吸以及气-水两相流动的基础上,通过有限差分方法及计算机程序编制得到页岩气藏的三维计算机模型,并通过网格加密以及采用等效导流能力方法来模拟人工压裂裂缝对气体流动的影响。(6)利用商业软件、其他模型和现场数据验证了本文理论模型的可靠性和适用性,分析了压裂水平井的生产动态,并研究了Knudsen扩散和滑脱效应、气体的解吸作用、气-水两相流动、多级压裂水平井的相关参数以及体积压裂(SRV)缝网对产量的影响。本文的研究成果可为页岩气井的生产动态分析及产能预测提供理论基础、为指导页岩气藏高效开发提供理论依据。