煤层气的高效开采是推动我国能源结构转型升级、实现绿色发展的重要载体。长期以来,煤层气被视为危害煤矿安全生产的罪魁祸首,通常经由矿井通风系统直接抽排至大气中。然而,随着国内外学者对大气保护问题研究的深入,煤层气被认为是一种对大气臭氧层破坏性极强的温室气体。故从地面抽采煤层气,不但可为我国日渐匮乏的天然气资源提供宝贵的补充,还可从源头上保护臭氧层。我国的高阶煤层气储层条件较复杂,开采效率低下。随着在沁水盆地南部煤层气开采实践的深入,矿权业主联合科研机构对多种特殊井型及新型增产技术在靶区的适用性开展了多项先导试验研究。但是现场试验成本高昂、不可控的干扰因素众多,难以进行测试周期长,待测参数繁多的研究。而数值实验可以克服以上缺点,并能够把煤层气的产出过程可被简化为求解一个多物理场耦合问题。通过归纳、分析低产及高产井的地质资料及排采数据,确认了制约该地区的产能潜力充分释放的主要矛盾为开发工艺与储层条件不匹配。因此,本文针对靶区煤层气赋存特点,综合运用现场资料调查、理论分析和数值计算等研究手段,探究了鱼骨状水平井和注高压热氮改造储层的多物理场的演化过程。取得了如下进展和结论:(1)本文把双重孔隙介质的有效应力原理和渗透率演化方程相结合,基于双孔单渗假设,成功地把煤岩应变-应力场、瓦斯扩散-渗流场相交叉耦合。并借助COMSOL Multiphysics在确保求解精度及效率的前提下,模拟了鱼骨状水平井压降采气的过程,并对比分析了不同开采方案下的排采周期及排采率。此外,本文把围岩三维破坏准则与流-固耦合理论相结合,研究了鱼骨井的主支-分支交点处的井壁稳定性,为指导井身参数的优选提供了可靠的理论支撑。(2)从控制沁水盆地枣园区块煤层气井产能的资源条件和开采条件诸因素中,筛选出了靶区的产能主控因素。通过分析主控参数在靶区的分布特征,并与典型井的产量数据相对比,构建了靶区煤层气高效开发技术优选原则。(3)靶区的煤储层瓦斯压力低、煤岩吸附性强、渗透率低,制约了井网所控制储层区域的产能释放。通过分析基于流-固耦合理论对鱼骨井排采煤层气的过程实施数值实验的结果,再结合生产井的后期维护作业资料,为鱼骨井选取了最优井身参数。继而提出了集鱼骨井排采煤层气、氮气扩孔增产、氮气泡沫解堵于一体的新工艺。该工艺通过使用玻璃钢筛管强化的水平井主支的稳定性,使其可承受氮气扩孔增透而造成的循环冲击压。在生产中后期的排采产量下降时,再通过施用氮气泡沫解堵快速恢复产能。(4)本文基于单孔单渗假设,建立了热-流-固耦合方程组。利用该模型研究了注高压热氮增产作业时,储层物性参数演化规律。耦合模拟的结果表明,在向直井连续注入高温高压氮气14天后,近井带的煤岩温度被大幅提高;一方面,井壁煤层长期处于高温氮气氛围下原位热解并气化,井筒扩径率达30%;另一方面,高压氮气穿过井壁使近井带储层的有效应力大幅下降,煤基质收缩而割理张开,使近井带煤层渗透率提高一个数量级。在此工程中,煤层气的渗流通道被彻底地疏通。该工艺可解除贾敏效应和水锁效应对储层渗流通道造成的伤害,适合在碎裂构造煤富集地区施用该解堵增产作业。