煤层气(煤矿瓦斯)作为煤炭的伴生产物,是一种由煤层生成并主要以吸附状态储集于煤层中的非常规天然气,其主要成分为甲烷。煤层气大规模的开发与利用对于能源结构调整、环境污染防治和矿井瓦斯灾害治理等都有着重要的意义。云南、贵州、四川、重庆等西南地区煤层气资源十分丰富,但是该地区具有显著的叠置含气系统煤层气成藏特征,导致煤层气常规开采技术在该区无法适用。同时由于该地区煤储层渗透率较低,严重制约了煤层气的高效开采,而煤层注二氧化碳驱替煤层气技术不仅可以提高煤层气采收率,还可以实现二氧化碳的地下封存,是一种具有较好发展前景的煤层气增产技术。为此,本文针对我国西南地区普遍存在的叠置含气系统煤层气成藏特征这一工程背景,以贵州金佳煤矿煤样为研究对象,利用自主研发的试验装置开展了一系列叠置含气系统煤层气开采及注二氧化碳增产试验研究,系统分析了煤层气开采中储层参数的动态时空演化规律、叠置含气系统煤层气合采中的层间干扰机制以及不同注二氧化碳增产模式下的煤层气增产效果,并结合煤层气地质学、渗流力学、岩石力学及多孔介质理论等对煤层注气增产机理进行了有益探讨。通过上述研究,取得如下研究进展:(1)基于叠置含气系统煤层气成藏特征,提出了叠置含气系统煤层气开采及注气增产物理模拟试验方法,自主研制了煤层气多钻孔(钻井)开采及注气增产物理模拟试验装置,该装置可实现大尺度试件的真三轴应力加载和多参数的同步实时采集,为开展多物理场耦合和多因素水平状态下的叠置含气系统煤层气开采及注气增产试验研究提供了新手段。(2)开展了复杂地质条件下单一煤层多钻孔煤层气开采试验,阐述了煤层气开采中储层参数的动态演化规律及其相互耦合特性,基于储层气压计算并分析了开采钻孔叠加效应;利用Matlab软件编程实现了煤层气开采中储层参数的多维可视化,分析了瓦斯流场和储层渗透率的时空分布特征;建立了有效开采半径计算模型,得出有效开采半径与开采时间符合幂函数关系。(3)开展了不同初始气压差条件下叠置含气系统煤层气合采试验,发现低气压煤层的储层气压在合采前期出现明显上升并伴随气体倒灌现象,同时储层气压上升幅度和气体倒灌量均随着初始气压差的增加而增大;揭示了煤层气合采过程中的层间干扰机制,优化并提出了接替和递进两种开采制度,基于差异系数评价了开采制度的优化效果。(4)开展了不同注二氧化碳压力条件下单一煤层单井增产和多井增产试验,结果表明煤层气增产效果和注气压力以及生产井数量呈现复杂的非线性关系,提高注气压力或者增加生产井数量在前期增产效果明显,在后期增产效果有限,甚至产生负面影响;进一步开展了边注边采、先注后采和递进开采协同边注边采模式下的叠置含气系统多井联合增产试验,对应采收率在煤层气合采的基础上分别提高了11.4%、15.2%和23.3%。(5)基于煤层注二氧化碳增产试验结果,综合考虑注二氧化碳增产过程中的有利和不利两方面因素,阐明了煤层注气增产过程中二氧化碳-甲烷二元体系的解吸-扩散-渗流过程,揭示了二元体系竞争吸附、基质膨胀抑制扩散、注气增能降渗等共同作用下的煤层注二氧化碳增产机理。