页岩通常既可以作为烃源岩,又可以作为储层和盖层。研究页岩中的气体渗流特征对于温室气体等有害气体封存性能评价及页岩气的勘探开发具有重要的现实意义。由于页岩具有次生孔隙发育、孔喉细小,强非均质性,含水饱和度高,气水关系复杂等特征,使得页岩中的气-水两相渗流机理非常复杂,因此要全面了解页岩中的气-水两相流动机理是一个极大的挑战。本文以柴达木盆地东部石炭系页岩为研究对象,通过渗透率测试(瞬态压力脉冲衰减法与常规稳态测量法)、气体吸附法(低温N2与低温CO2)、高压压汞等实验研究了页岩的孔渗结构特征。分析了含水饱和度、有效应力、各向异性、矿物成分、孔隙压力和微观孔隙结构对非饱和页岩渗流特征的影响。基于尘气模型(DGM),考虑页岩复杂的孔隙结构,页岩气在纳米孔表面的滑脱效应以及在基质系统中的扩散,建立了一种简单的页岩气质量流量模型。通过低压下甲烷渗流模拟实验分析了非饱和页岩中气体渗流行为。页岩矿物成分不均一,变化幅度较大,主要以粘土和碎屑矿物为主;矿物成分控制页岩渗透率的变化,页岩渗透率分布范围为1.69×10-21～1.27×10-17m2,多数分布在10-20m2。页岩表现出明显的各项异性,在富含粘土样品中,发育定向结构,渗透率的各向异性比富石英样品更加明显。TOC与微孔孔容的相关性最大,随着孔容的增大,TOC含量增加,这说明微纳米孔是页岩气主要富集的场所。比表面积与粘土含量成正相关,而与石英含量成微弱的负相关,粘土中发育丰富的微纳米孔,可以为气体吸附提供场所,而石英属于脆性矿物,石英含量较高的页岩样品容易形成微裂缝,为气体的运移提供通道。渗透率的应力敏感性由页岩微观孔隙系统和矿物成分的组成控制。富含粘土的样品主要由易于压缩的纳米级狭缝型孔隙占据,对有效应力的变化有较大的敏感性。含水样品的应力敏感性更高,氦气渗透率与含水饱和度之间为指数递减的关系。基于页岩中气-水两相流微观模型,分析了Klinkenberg滑脱因子(b)与含水饱和度的关系,随着的含水饱和度的增加,b先减小后增加。当水主要存在于微小孔中时,发生通道流动,滑脱因子随着含水饱和度的增加而降低。随含水饱和度的增加,水以水膜的形式附着在孔隙壁上,此时水相是可移动的,发生梭状流动,导致滑脱因子增加。通过低压下非饱和页岩中的甲烷渗流模拟实验,验证了低压下表观气体渗透率与平均压力倒数之间的二次方程关系的正确性。低压下页岩气体流动处于过渡流态,其中滑脱流和气体扩散共存。达西渗透率与压力无关,滑脱流对表观渗透率的贡献与压力的一次方成反比,扩散流对表观渗透率的贡献与压力的平方成反比,扩散流对压力的敏感明显大于滑脱流。