作为一种高效洁净能源,煤层气已经成为我国能源重要组成部分。煤层气是自生自储式的非常规天然气能源,与常规天然气储层相比,煤层气储层具有非均质性强,孔隙/裂隙结构复杂,孔隙度/渗透率低等典型特点,这使得煤岩渗透率演化机制和影响因素以及煤层气产出机理更加复杂。本文以滇东黔西地区煤样为研究对象,开展了孔隙类型、孔径分布、应力敏感等岩样参数测试工作。在实验的基础上,发展了煤岩基质孔隙和裂隙网络数字岩心的建模方法。采用格子Boltzmann方法模拟了煤岩基质和裂隙中的气体流动特征,分别探讨了基质和裂隙渗透率的主控因素。最后,基于灰色格子Boltzmann方法,研究了煤层气直井多层合采过程中的层间干扰问题。具体完成的工作有以下三个方面:(1)基于Klimontovich气体动力学方程和lattice Boltzmann Bhatnagar-GrossKrook(LBGK)模型,建立了考虑体积扩散效应的非理想气体微尺度格子Boltzmann模型,利用改进后的有效粘度以及二阶滑移边界条件,对纳米尺度气体平板流动开展数值模拟研究,通过对比发现该模型能够满足更大范围努森数下的气体流动。利用液氮吸附实验得到的孔径分布数据,采用改进的随机四参数生长法对煤岩基质孔隙进行重构,基于微尺度格子Boltzmann模型对基质孔隙中的气体输运开展数值模拟,分析了不同平均努森数条件下的表观渗透率修正系数。(2)基于Voronoi拓扑结构的概念,采用像素扫描法构建了考虑煤岩裂隙密度、粗糙度以及开度的3D裂隙网络模型。基于应力-应变本构方程与有限差分方法,建立了应力条件下的煤岩3D裂隙网络模型。采用格子Boltzmann方法,对应力条件下的煤岩3D裂隙网络模型展开模拟,得到了裂隙密度、粗糙度、开度以及应力对煤岩裂隙渗透率的影响规律。(3)通过局部机械能耗散率这一物理量,定量分析得到了合适的REV尺寸,进而在REV尺度上基于非均匀网格,采用灰色格子Boltzmann方法,分别对不同渗透率级差、不同层间非均质性以及不同压力系统煤层气合采开展数值模拟研究,得到了不同合采条件下的储层压力和速度分布,分析了煤层气多层合采过程中层间干扰形成机理。通过本文的研究形成了一套系统模拟煤岩多孔介质内煤层气运移的格子Boltzmann方法,对煤岩中的应力变形、气体滑脱、非达西流等现象进行微观分析,真实重现了流体在煤岩多孔介质中的流动过程,揭示了煤层气储层微观渗流机理,通过对煤层气多层合采的数值模拟研究,为煤层气储层开发方案设计提供理论基础和科学依据。