页岩气多组分竞争吸附研究对于页岩气储层含气性评价、页岩气渗流规律及注CO₂提高CH₄采收率研究具有重要意义。基于四川盆地上奥陶统五峰组与下志留统龙马溪组黑色页岩岩心,开展X射线衍射分析、岩石热解分析、有机质含量测定、低温N₂与CO₂吸附测试、高温高压下CH₄气体在平衡水样品上等温吸附以及CH₄与CO₂气体单、多组分等温吸附等实验研究,分析了页岩岩心物理化学和孔隙结构特征,阐述了CH₄与水分及CO₂竞争吸附行为,在实验研究的基础上构建了页岩气单、多组分吸附模型,最后提出了考虑水分和非甲烷气体的页岩气含气量预测模型,取得的主要结论和认识如下:分析了岩心组成和孔隙结构,组建了一套页岩气单、多组分等温吸附实验装置。实验岩心主要由石英和粘土矿物组成,有机质含量一般大于1.5%,孔隙主要以微孔和中孔为主,微孔比表面积与有机质含量成正比。实验装置增加中间区,实现一注多吸和取气功能,精简了实验流程,避免了取气造成混合气体扰动。研究了水分与CH₄竞争吸附,探讨了水蒸气压力对吸附的影响。水分在蒙脱石、伊利石和页岩全岩上的等温吸附曲线符合III型曲线,为多分子层吸附,吸附层数集中分布于3～7层。经平衡水处理后,蒙脱石Langmuir吸附量降低了97.4%,几乎丧失了全部吸附能力,伊利石和页岩全岩Langmuir吸附量降低了33.7%～78.9%。未考虑水蒸气压力的甲烷吸附量被低估26.4%,经水蒸气压力校正后的等量吸附热更加符合热力学一致性。研究了CH₄与CO₂竞争吸附,建立了超临界CO₂吸附模型和由吸附引起的膨胀模型。混合气体中各个组分的吸附行为不仅与该组分自身的吸附能力有关,还与该组分在混合气体中的分压有关。CO₂在竞争吸附中占得优势,且优势随着温度的增加和混合气体中CO₂含量的增加而加强。基于局部密度理论构建了页岩气单、多组分吸附模型,分析了气体在页岩孔隙中的分布状态。结果表明,当孔隙较大时,气体在孔壁周围吸附,随着孔隙逐渐减小,孔隙中心的气体开始发生吸附,当孔隙减小到一定程度时,孔隙中所有气体均处于吸附状态。吸附相密度是温度、压力和孔径的函数,温度越低,压力越大,孔径越小,则吸附相密度越大。在低压范围内,过剩吸附量几乎等于绝对吸附量,随着压力增加,绝对吸附量逐渐大于过剩吸附量,且压力越大,两者差异越大。建立了考虑吸附相体积、水分以及非甲烷气体的页岩气含气量预测模型。结果表明,当不考虑吸附相体积时,页岩含气量被高估27%～38%,考虑含水后总的含气量减少1.17%～3.12%,多组分气体不仅影响页岩气的赋存状态,即页岩气在吸附相和游离相中的分布,也影响页岩气总的含气量。在2384.18 m～2414.56m的地层深度范围内,不考虑多组分气体将会高估含气量5.6%～31.8%。