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页岩气是一种清洁环保的能源，世界范围内资源量丰富。它在美国实现了商业化开采，目前也是许多国家非常规能源勘探开发和研究的热点。页岩气储层与常规储层相比有很大的差异。页岩层理结构显著，表现出横观各向同性的力学特征，给钻井、压裂技术和设计增加难度。页岩气藏是自生自储的非常规气藏，除含有赋存于孔隙和天然裂隙中的游离气，还包含大量吸附在储层基质内表面的吸附气和少量溶解于基质中的溶解气。页岩储层含有天然和压裂的裂缝，基质中发育有微裂隙和微米级至纳米级的孔隙，气体在储层中的流动机理也较复杂，包括渗流、扩散和解吸附等。此外，采用水平井和压裂技术开发页岩气时，大量的工作液滞留在储层中，它们对于储层物理力学特性的影响还有待于研究。对于页岩储层力学性质、气体赋存与运移特性的正确认识是页岩气勘探开发的前提，也能为页岩气开采设计提供基础的理论支撑。 本论文在对已有研究充分调研的基础上，采用试验、模型和数值模拟等方法，对页岩气的储层特性展开了以下几方面的研究工作: (1)页岩微观结构特征观测。通过试验测试页岩试样的物质组成，借助光学显微镜观察页岩的微观构造。考虑到页岩孔径分布的多尺度性和目前各种测试方法的局限性，采用扫描电镜和液氮吸附法相结合来分析页岩的孔隙结构特征。分析结果是对页岩力学性质与气体赋存和运移特性研究的基础。 (2)页岩力学特性的研究。首先建立基于颗粒离散元PFC2D的页岩数值模型，然后借助数值试验分析层理的非均质性对页岩力学性质的影响，结合试样破裂形态和内部应力分布探讨层理影响下页岩的破坏机理。 (3)页岩气赋存和扩散运移特性研究。在测压法吸附仪上进行甲烷在页岩试样中的吸附和扩散试验。根据试验结果分析甲烷在页岩中的赋存特性，结合孔径分布特征和扩散模型探讨甲烷在页岩中的扩散机理。并分析水分、压力和试样尺寸对页岩气赋存和扩散特性的影响。 (4)页岩与水相互作用。通过试验测试了页岩试样的润湿性、吸水性和吸水膨胀性，并结合扫描电镜微观角度的观察，探讨了页岩与水相互作用机理及其对于页岩力学性质、气体赋存与运移特性的影响。