煤层气是一种清洁能源,我国煤层气储量丰富,开发利用煤层气资源不仅能有效遏制煤矿瓦斯灾害,降低甲烷气体对大气环境的温室效应,而且可以优化我国能源结构、缓解能源短缺问题。然而,由于煤岩的特殊力学性质和煤层气储层所处复杂地质环境特征,煤层气井壁稳定问题严重制约了我国煤层气资源的勘探开发,其中因煤岩蠕变造成煤层气井缩径、卡钻,甚至井壁的坍塌失稳现象尤为突出。本文采用室内岩石物理力学实验、蠕变模型理论研究及数值模拟研究等方法,系统和深入地研究了煤层气储层井壁煤岩的物理力学特性、蠕变力学特性,建立了煤岩弹-粘-塑蠕变模型和基于能量角度的蠕变模型,同时将其与现有岩石蠕变模型进行对比,优选得到适合描述煤岩蠕变特性的模型。最后,采用COMSOL数值模拟软件,分析了受煤岩弹性模量、泊松比、地应力分布和井径变化影响的煤层气井蠕变规律。获得主要结论如下:(1)通过室内物理实验测试,得到了煤岩的干密度、天然密度、含水率、比表面积、总孔隙体积、平均孔径等物理性质指标。分析发现,煤岩总孔体积与比表面积有关,且基本呈线性正相关。(2)煤岩单轴蠕变力学实验显示,当轴向应力从0.98MPa增加至5.98MPa时,煤样试件蠕变过程表现为衰减蠕变;当轴向应力为6.49MPa时,煤样试件蠕变过程表现为非衰减蠕变,煤岩的长期强度在5.98~6.49MPa之间。(3)根据煤岩蠕变力学实验结果,对西原模型进行了改进,获得了基于煤岩弹-粘-塑性特性的蠕变力学模型,并推导得到了本构方程和蠕变方程。改进的西原模型能够反映煤岩蠕变曲线的二次指数衰减特征。(4)基于能量角度,提出了煤岩蠕变力学模型,该模型在西原模型的基础上串联一个绕组δ元件,该元件的特点是在受力情况下应变与时间呈t3关系。并且推导出了基于能量角度的煤岩蠕变力学模型本构方程和蠕变方程。(5)煤层气储层井壁煤岩最大蠕变变形方向均为最大水平地应力方向,井眼变形呈现出最大主应力方向受压缩而产生大幅缩径现象。随着弹性模量的减小,煤层气井壁煤岩蠕变变形量逐渐增大;泊松比小于0.25时,井壁煤岩蠕变变形不明显,而后随着泊松比的增大,井壁煤岩蠕变变形显著增大;随着井径的增大,井壁煤岩蠕变逐渐呈现非线性增大;随着最大水平地应力的增加,煤层气井壁煤岩蠕变变形逐渐增大。本文所提出的煤岩蠕变力学模型,建立的煤层气井壁煤岩蠕变规律数值模拟方法,有助于认识煤岩蠕变造成煤层气井壁失稳机制,同时对于煤层气开采安全钻井和有效开展完井与固井施工等均具有重要的实际意义。