我国煤层气资源丰富,其开采利用对改善能源结构、缓解环境污染及减少瓦斯事故都具有重要的意义。本文以沁水盆地马必东区块3号煤层为研究对象,通过低温氮气实验、核磁共振实验、多精度X-ray CT扫描实验及相应的数值模拟工作,建立了煤储层精细表征模型及流体微观运移模型。基于低温氮气吸附实验和密度函数理论,揭示了研究区内马13井3号煤层孔隙结构以微孔发育为主,孔隙形态多为开放型的圆筒孔或平板孔;马62井3号煤层孔隙形态多为一端封闭的平行板孔及尖劈形孔,且同一井筒内同一煤层不同位置的煤岩孔隙结构存在较强的非均质性。同时,10-100 nm孔隙贡献了绝大部分的孔体积,而比表面积主要来自于2-10 nm孔隙。基于多精度X-ray CT扫描实验,建立了研究区内3号煤储层在多尺度上的孔裂隙系统及其连通性表征模型。详细探究了不同尺度上煤岩的孔裂隙发育特征、空间形态以及展布规律。结果表明3号煤储层发育从微米级到毫米级的孔裂隙系统,孔隙总体分布较为分散,在局部区域易形成连片状裂隙;煤岩在不同尺度条件下均具有被矿物充填现象;孔隙度轴向分布具有极强的非均质性。综合利用核磁共振实验和多精度X-ray CT实验,建立了多尺度孔径分布曲线。结果表明3号煤储层微孔和大孔发育,有利于煤层气的吸附和运移,但是缺少沟通吸附和渗流空间的中孔。基于Dust Gas Model和generalized Maxwell-Stefan Model建立了气体运移模型,并对比各机理的贡献率,结果表明在孔径较小及低压条件下,气体主要通过Knudsen扩散和表面扩散为主,黏性流动影响较弱;在孔径较大及高压条件下,黏性流动主宰气体的运移,表面扩散和Knudsen较弱。敏感性分析结果表明,在原位条件下,煤储层温度、Langmuir常数、表面粗糙度及迂曲度对煤层气的运移影响较大。