页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工燃料,开采页岩气有助于降低国家对高污染、高能耗资源的过度依赖,减少大气污染物和温室气体的排放,符合我国“碳达峰、碳中和”的可持续发展目标。页岩气储层具有超低渗透率的特点,大规模的商业开发一般采用水平井钻井和分段多簇水力压裂技术,压裂后页岩气的开采涉及多尺度的气水两相流返排过程,该过程直接影响甚至决定了页岩气产能以及压裂液返排率。因此,开展页岩气水两相流多尺度运移机理的研究具有重要的科学背景和工程意义。为此,本文采用宏细观室内试验测试、理论建模分析与数值模拟相结合的综合研究方法,探究了两相流体在不同尺度孔裂隙中的流动特征,揭示了变形页岩储层中气水两相流的多尺度渗流-扩散协同机制,综合分析了页岩气水力压裂开采、注热增产以及注CO2增产过程中的气水两相运移规律。本文主要的研究内容和结论如下:（1）利用X射线衍射、N2吸附、电镜扫描（SEM）以及核磁共振（NMR）等试验技术明确了页岩矿物组成成分、页岩微观孔隙结构特征以及孔隙尺寸分布规律。试验结果表明页岩的主要矿物组成为白云母、长石和石英等,不同页岩的矿物成分占比差距较大且分布不均匀;根据矿物成分,将页岩的孔隙分为有机孔和无机孔两大类,两者均以微孔和小孔为主且孔隙尺寸分布均具有多重分形特征。相比于无机孔,页岩有机孔的平均孔径更小,孔径分布的非均匀性更强。（2）利用气体扩散动力学试验系统研究了气体在含水页岩基质中的扩散动力学特性,明确了气体扩散系数随扩散时间衰减的规律,为了揭示其本质机理,建立了气体在页岩基质孔隙（包括有机孔和无机孔）中的扩散动力学模型并分析了扩散过程中气体流场在页岩有机质和无机质中的时空演化规律。结果表明:气体在页岩小尺度孔隙中的扩散系数随扩散时间呈类指数下降趋势,若仅采用常规扩散模型表征页岩气扩散过程,则页岩气在开采中后期的解吸量以及产量都会被严重高估。（3）利用核磁共振试验系统研究了页岩束缚水分布特征,实现了页岩束缚水饱和度的定量表征,根据束缚水分布情况将页岩孔隙分为了3种不同类型。在此基础上,建立了一个考虑孔径分布分形维数的气水两相相对渗透率模型,通过结合多种运移机理推导了气相和水相的视渗透率表达式并开展了参数敏感性分析。结果表明:气相和水相的视渗透率随孔径分布分形维数的增大而增大,但随流体压力、平均水膜厚度以及孔隙迂曲度分形维数的增大而减小。（4）构建了页岩储层四重孔隙介质地质模型,明确了多尺度条件下页岩储层变形和两相流体流动之间的耦合关系,并以二者为基础建立了页岩储层气水两相多尺度流-固耦合模型,该模型的流体运移控制方程共有4组,分别表征的是有机孔中气体的动态扩散以及无机孔、天然裂隙、压裂裂隙中两相流的流动。为了实现该模型的数值计算与应用,推导了两相流控制方程的弱形式表达方式,并根据多组现场实际工程数据验证了该模型的正确性和可靠性。（5）采用蒙特卡洛法随机生成了页岩储层次级压裂裂隙,结合页岩储层气水两相多尺度流-固耦合模型,从数值模拟角度研究了页岩气压裂开采返排阶段中流体压力、渗透率以及含水饱和度的演化特征,分析了主要地质水文参数对页岩气产量和压裂液返排量的影响程度。结果表明:储层初始含水饱和度、无机质束缚水饱和度以及无机质初始渗透率对压裂液返排量影响显著,而天然裂隙初始渗透率、Langmuir压力常数以及Langmuir体积常数对页岩气产量影响显著。（6）建立了注热和注CO2开采页岩气的两相流多尺度THM耦合模型并开展了数值分析,模拟结果表明:在注热增采页岩气20年后（注入温度为368K）,页岩气的累计产量可提高26%以上,压裂液的累计返排量可提高约5%;在注CO2增采页岩气20年后（CO2注入压力为4MPa,注入温度为320K）,页岩气的累计产量可提高39%,压裂液的累计返排量可提高约9%,页岩气产量和CO2的封存量随注气压力的增大而升高,随注入温度的增大而降低。该论文有图117幅,表20个,参考文献211篇。