我国属于天然气的消费大国,储存在距离地层较浅的天然气资源已经探明,并进行了工业化开采。但是天然气作为不可再生资源其储量有限,在需求量不断增长的今天,常规的天然气资源已经逐渐枯竭,而且天然气的进口并不是权宜之计。故亟需找到一种浅层天然气资源的替代品。近年来,页岩气作为一种绿色、清洁能源逐渐进入人们的视野中,经过一段时间的发展,在部分发达国家页岩气开采已经实现了商业化。中国可探明的页岩气储量在世界上居首位,且分布范围较广。尽管我国的页岩气储量丰富,然而页岩气的商业产气量仍然处于较低阶段。目前仅在四川盆地部分地区能够进行持续性产气。页岩气是一种“自生自储”天然气能源,主要以游离态和吸附态为主,赋存与页岩基质和机质孔隙中,少部分溶解在页岩干酪根中。和传统油气资源不同的是,页岩气储层孔隙结构复杂,孔隙尺寸达到了纳米级别。常规的开采方法并不能应用到页岩气藏的实际开采中,页岩气井在开采的前期产量主要来自于储层中的游离态的气体,而中后期气体产量主要来自于甲烷的在页岩基质中的解吸-扩散效应。故页岩气的扩散效应在能否实现页岩持续有效的开采中扮演了重要的角色,本文针对气体在储层中的扩散运移过程开展了以下的研究工作:(1)由于页岩储层中存在着大孔(孔隙半径>50nm)、中孔(2nm<孔隙半径<50nm)和微孔(孔隙半径<2nm)以及还发育着节理裂隙的多尺度孔隙结构。因此借助高压压汞技术和低温氮气吸附技术探究了页岩的孔隙结构特征。同时利用试验分析了页岩中的有机碳和黏土矿物含量,进一步了解了页岩孔隙结构的分布规律。(2)为了分析页岩气在储层孔隙中的输运行为,利用自主研发的页岩扩散系数测定装置,在不加载任何地应力,并且不断改变气体压力的条件下,测定了页岩破碎岩样的扩散系数。试验结果发现页岩的扩散系数会随着气体压力的变化而发生变化。(3)针对页岩基质中存在的吸附扩散现象,利用岩石常规三轴的试验设备,模拟了页岩在储层中的原始状态,采用不同的流体介质,包括吸附性气体甲烷和二氧化碳,非吸附性气体氦气和氮气进行了一系列的试验研究。发现页岩基质中的吸附性会对气体在储层中的扩散行为产生一定的影响,采用双孔扩散模型计算了页岩扩散系数,同时对比了有无地应力条件下页岩扩散系数的变化规律。(4)最后考虑到页岩孔隙结构的分布规律,采用“双孔扩散模型”并结合数值模拟软件,建立了页岩扩散系数数值模型。进一步研究了页岩在原岩应力作用下产生的变形对于扩散行为的影响,对比验证了上述试验的正确性,明确了气体扩散效应对于页岩气开采的意义。本文针对页岩气开采中关键步骤之一的气体扩散行为,结合宏观和微观两种不同的角度,分别在有无地应力条件下进行了试验研究,最终获得了页岩孔隙结构特征参数。研究页岩气在复杂孔隙结构中的扩散过程,以及不同有效应力对页岩气扩散性能的影响。并利用数值计算软件建立了与实验条件相对应的数值模型。试验的最终成果进一步丰富了气体在页岩气藏储层中扩散行为的理论研究,为我国的页岩气藏甜点区的预测和开采方案的制定提供有力的参考依据。该论文有图50表14,参考文献84。