煤层气是一种矿井灾害气体,也是一种清洁高效的非常规天然气。同时,化石能源在燃烧过程中释放大量二氧化碳（CO₂）,加剧了全球温室效应。将CO₂注入深部不可采煤层不仅能实现其地质封存,而且能达到煤层气增产的目的（CO₂-enhanced coalbed methane recovery,CO₂-ECBM）。CO₂-ECBM的机理是甲烷（CH₄）与CO₂在煤储层中的竞争吸附,CO₂分子具有较强的吸附能力并可将煤基质中吸附态的CH₄分子驱替出来。煤储层的组成、有机结构和孔结构特征是CH₄和CO₂吸附/脱附特性的决定性因素。因此,研究煤储层的组成和结构特征及其对CH₄和CO₂的吸附/脱附特性的影响对评估CO₂-ECBM技术的可行性具有指导意义。封存在煤储层中的CO₂处于超临界态,与煤基质之间存在复杂的流-固耦合作用,这种作用能够对煤储层的物理化学性质起到一定改造作用,储层的变化会进一步影响CH₄和CO₂的吸附/脱附特性,进而影响后续煤层气采收以及CO₂的封存。因此,需要对超临界CO₂作用下煤储层结构特征演化机理及其对CH₄和CO₂吸附/脱附特性的影响规律开展研究。本论文以四组不同变质程度的煤储层为研究对象。首先开展工业分析和元素分析测试煤样的基本组成;采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对其表面化学性质展开定性分析;采用扫描电镜法（SEM）、N₂/CO₂吸附法以及压汞法联合对煤样的孔结构特征进行表征;然后采用重量法测量288 K、308 K和328 K温度下CH₄和CO₂在煤样上的吸附/脱附等温线以及298 K温度下水蒸气的吸附等温线;采用超临界CO₂-煤反应容器开展模拟储层条件下超临界CO₂与煤样的反应实验（T=40℃,P=16 MPa）,对比分析反应前后煤样的表面性质和孔结构特征,并评估其对CH₄和CO₂的吸附/脱附特性和水蒸气吸附特性的影响规律。从上述实验研究得出的主要结论如下:（1）随着煤变质程度增大,其储层中固定碳的含量增加,挥发分的含量降低,表面官能团的种类和数量逐渐减少。同时,煤储层微孔的比表面积（SSA）和孔容与其变质程度呈“U”型关系,中孔的SSA和孔容随其变质程度增大逐渐减小,大孔的孔容主要受构造应力作用影响,与其变质程度的关系不显著。低变质程度的煤储层中以裂隙孔为主,中等变质程度的煤储层中有墨水瓶孔和圆柱孔发育,高变质程度的煤储层中以狭缝孔为主。（2）低压下CH₄和CO₂在不同变质程度煤储层的吸附等温线均能被Langmuir方程较好地拟合,CH₄的单分子层最大吸附量（q_m）主要取决于微孔的SSA,而CO₂的q_m受微孔和表面官能团的共同影响;CO₂/CH₄的平衡吸附选择性系数随温度升高而减小,与固定碳含量呈“U”型关系;水蒸气在不同煤储层中的吸附等温线均为III型且均能被Dent模型较好地拟合。水蒸气的吸附量随煤变质程度增大而减小,煤的表面官能团对其吸附特性起决定作用。（3）低压下CH₄和CO₂在不同煤储层的吸附/脱附等温线均存在明显的滞后特性,且真空状态下CH₄和CO₂分子不能被全部脱除。本研究引入滞后指数（HI）和残余系数（RI）两个指标对吸附/脱附滞后特性进行定量表征,结果表明,滞后指数和残余系数均随温度升高而减小,且相同条件下CH₄的滞后指数和残余系数均比CO₂大。基于吸附/脱附滞后特性的产生机理,本研究将吸附等温线分解为物理吸附曲线和吸收曲线两部分,物理吸附曲线可以被Langmuir模型和Dubinin-Radushkevich（D-R）方程较好地拟合,且CH₄物理吸附的q_m和V₀与煤变质程度呈“U”型关系,主要受微孔的影响,CO₂物理吸附的q_m和V₀受中、微孔共同影响;吸收曲线代表吸附等温线中不可逆的部分,随温度升高而降低,与煤的变质程度呈“U”型关系。（4）超临界CO₂作用后,煤储层表面官能团的种类变化不大,部分表面含氧官能团数量减少;中孔的比表面积和孔容减小,但微孔的比表面积和孔容增大。储层表面性质和孔结构特征的变化对CH₄和CO₂的吸附/脱附特性造成了以下影响:（1）CH₄的q_m增大,但CO₂的q_m减小;（2）CO₂/CH₄的平衡吸附选择性系数增大,有利于CO₂从储层中驱替出CH₄;（3）CH₄和CO₂的吸附/脱附滞后特性减弱,滞后指数和残余系数均减小;（4）CH₄物理吸附的q_m和V₀增加,而CO₂物理吸附的q_m和V₀减小;煤储层对CH₄和CO₂的吸收量降低。