低渗储层油气是常规油气资源的重要补充,大力发展低渗油气资源是缓解当前资源短缺、调整能源结构、保障国家能源安全的有效途径。与常规油气储层不同,低渗储层微观孔隙结构复杂、非均质性强,造成流体在孔隙空间内分布及流动规律复杂,致使难以厘清低渗储层的渗流特性。同时简单的孔隙模型难以说明不同储层、不同样品之间渗透率的差异。如何精确的表征低渗储层的复杂微观孔隙结构,进而厘清低渗储层的渗流特性,是提高低渗储层的生产开发效率亟需解决的关键科学问题。针对上述科学问题,本文基于分形几何理论,重构多孔介质并使用分形结构参数表征多孔介质的孔隙结构特性,建立分形维数与孔径分布的关系,揭示多孔介质复杂微观结构与定量分形结构参数之间的关系;其次,开展致密砂岩储层样品自发渗吸实验,揭示致密砂岩自发渗吸动态特征受孔隙发育情况的影响规律,明确影响低渗储层渗吸能力的关键因素;然后,利用LBM模拟与室内实验获得了低渗储层的渗透率,通过计算的分形结构参数定量分析微观结构对渗透率的影响,并基于三维可视化平台进行了孔隙尺度下气体渗流物理模拟实验,厘清低渗储层气水流动规律;最终,开展天然气水合物储层泥质粉砂样品微观结构、矿物成分及润湿特性的研究,建立不同渗流压力下的蠕变渗透率模型,基于原位CT与渗流设备开展气驱水实验,厘清气体渗流特性的主控因素,主要成果与认识如下:(1)单一分形参数难以表征多孔介质的复杂孔隙结构,使用分形维数、缺项和进相三个分形结构参数可以很好的表征孔隙结构的复杂特征、非均质性及各向异性;基于孔径分布计算的分形维数与计盒法计算的分形维数具有高度的一致性,证明致密砂岩具有自相似的分形孔隙区间。(2)不同致密砂岩渗吸曲线在总渗吸质量、渗吸早期斜率方面存在差异,渗吸过程中的核磁共振T₂谱特征呈现双峰特征,峰的分布和幅度表征了渗吸过程与微观孔隙发育特征之间的关系,孔隙发育的数量、复杂特征和连通性是致密砂岩自发渗吸的主要控制因素。(3)致密砂岩孔隙的数量、非均质性及连通性是渗透率主控因素;在气水两相的渗流过程中,存在启动压力梯度,含气饱和度变化先快后稳,早期气体主要驱替岩心中央大孔隙中的水,后期主要驱替边缘小孔隙中的水,不同大小的孔喉对不同驱替压力下气体渗流的贡献差异较大,孔隙分布的非均质性对渗流过程中气水分布的动态变化具有重要影响。(4)南海天然气水合物储层泥质粉砂样品具有松散无固结的特征,孔隙空间主要由微观尺度的小孔组成,矿物成分中黏土较多,样品具有较强的水湿特征;渗流压力与孔隙结构表征参数呈现出明显的负相关关系,建立的蠕变渗透率模型预测了渗透率随着储层开采压力的增大而减小,平均喉道长度、分形维数和进相是泥质粉砂储层气体渗透率的主控因素。本文研究发现,分形结构参数可以较好的表征低渗储层复杂的微观孔隙结构,同时分析不同储层不同样品之间渗流特性的差异,进而作为桥梁建立微观孔隙结构与宏观渗透率之间的定量关系,厘清微观孔隙结构对宏观渗流特性的影响规律。