煤层气的运移产出需要经过解吸,扩散和渗流三个复杂的物理化学过程,每个阶段都影响产出量,因此要提高产量就要通过相关技术和措施提高煤层气的解吸速率、扩散速率和渗透率。研究认为振动波和人工电场可以作为提高煤层气采收率的物理激励技术在煤层气开发中发挥作用,为此分别开展了振动波和人工电场作用下的扩散、渗流和排采物理模拟实验。通过优化改造渗流实验仪器,测试了振动波作用下煤岩的渗透率,结果表明振动波可以提高渗透率,增大幅度达到了16.6%。人工电场对渗透率的影响较小,认为是实验用的电场强度较低,没能影响气体分子在岩石微孔中的渗流状态。根据扩散实验,在加载振动波的情况下,扩散系数增加幅度为41%。通过实验仪器的研发,开展了排采物理模拟实验,为安全起见,利用氮气代替甲烷实验。在自然产气状态下,排采量递减很快,在加载振动波后,抑制了递减速率,产气量变得平稳,但加载后的第二周期,产量又快速下降;在此基础上,停止振动,加载人工电场后,产量回升,同样的现象是加载电场后的第三轮次后出现产量的再次快速下降。由此可见,加载振波和人工电场采气,是有效的,但一般有效轮次是2~3个周期。依据分子动力学、电化学、机械振动以及动量守恒等理论,分析了振动波和人工电场提高煤层气产量和采收率的机理。认为振动波的机械振动作用,会使得煤岩介质发生拉、压和剪切作用,使得煤基质的骨架发生弹性形变,产生较多的微裂隙和微孔隙,扩散和渗流通道得到扩张,提高了扩散速率和渗透率。振动波的焦耳热效应将能量传递给煤岩—甲烷系统,系统内能升高,分子的无规则运动加剧,煤基质的表面吸附位点减少,吸附能力减弱,更有利于气体的解吸;同时系统温度升高,气体的解吸速率和扩散速率得到提升。在电场作用下煤大分子结构受到极化产生定向的偏移,使得煤岩对气体的吸附势增大,对气体的吸附能力会有加强;同时电场的热效应使煤岩—甲烷系统的内能增加,两种分子无规则热运动加剧,使得解吸速率和扩散速率增大,气体的吸附能力减弱。两者存在一定的竞争关系,随着电场作用时间加长,热效应占主导气体的解吸和扩散作用更加明显。