针对我国煤层气单井产量较低的问题,本文提出了先在煤层气直井或水平井眼内侧钻若干条径向水平井、再进行水力压裂的“径向水平井压裂”增产技术思路。采用室内实验结合数值模拟的研究方法,对该技术应用于煤层气直井时的裂缝形成机制以及压裂参数设计开展了研究,取得的成果如下:1.采用天然煤样开展了煤岩径向水平井压裂室内实验,获得了两种裂缝形态,一种为沿层理水平起裂+“一平多纵”的缝网形态,另一种为垂直起裂+T型缝形态。实验条件下,当孔眼方位偏离最大水平主应力方向较大时,易形成第一种裂缝形态,否则易形成第二种裂缝形态;沿层理水平起裂的试样中,孔眼长度越长、分支数越多,起裂压力和延伸压力越低;“一平多纵”的裂缝形态下,垂直缝的走向不受径向水平井眼方位影响,水平缝的扩展范围基本可以覆盖以径向水平井长度为半径的圆形区域;煤岩岩石性质的差异可能导致相同布孔方式下起裂形态的不同。2.基于渗流-应力-损伤耦合模型开展了煤岩特性对径向水平井压裂起裂形态影响规律的研究,计算结果表明:径向水平井压裂起裂形态受煤岩抗拉强度和渗透率的各向异性以及非均质度影响明显;本文计算条件下,煤岩各向异性程度越低、非均质度越高,即割理越发育,越有利于径向水平井压裂形成垂直起裂,否则易沿层理水平起裂;垂向应力越大,越有利于径向水平井压裂以垂直缝起裂。3.对实验获得的两种裂缝形态进行了产能分析,结果显示:通过与射孔压裂完井的产能对比,以径向水平井所在层理面水平起裂形成的“一平多纵”的缝网形态对产能的提升幅度较大,可作为径向水平井压裂的目标形态;水平缝半长对产能的影响要远大于孔眼长度,因此应尽可能增大水平缝的扩展面积;为保证沿层理水平起裂,目标层位的煤体结构应以割理发育较低的原生结构煤或块状结构煤为主,上覆岩层压力应低于或略高于最大水平主应力。4.以“一平多纵”裂缝形态为原型建立了煤层气径向水平井压裂离散元数值模型,对影响缝网改造体积的地应力条件、施工参数和岩石力学参数进行了敏感性分析。结果表明:煤层上覆岩层压力为中间主应力时,最有利于径向水平井压裂形成较大规模的缝网,为最小主应力时,最不适合径向水平井压裂;井眼长度越长、压裂液黏度越高,天然裂缝改造体积越大,越有利于单井产量的提高;对于脆性较低(低弹性模量)、坚固性较弱(低节理刚度)、胶结度较差(低内聚力和低内摩擦角)的煤层,如井网密度较大,则可采用短径向井眼和低黏度压裂液实施多井同步压裂,以获得较大区域的缝网改造效果,提高整体产能;布孔层数可依据煤层厚度而定,单层最佳布孔方案建议为4分支90°相位布孔,孔眼方位与水平应力为45°夹角。本研究可为煤层气增产提供新的技术思路并为其实际应用提供设计依据。