目前我国的煤层气单井产量普遍偏低、不稳定、衰减快。一方面是由于我国煤储层本身的物性条件差,主要体现在煤体结构复杂、储层渗透率低且应力敏感性强、力学性质差等特点;另一方面可归因于煤层气井的开采技术还不完善,比如排采制度不合理等。煤层气井的产气效果则是由这两方面的因素综合决定的。所以加强排采过程中煤储层孔渗性动态演化特征及储层压降的传播规律研究,对于制定合理的煤层气井排采降压制度具有重要的理论和实际意义。本论文以沁水盆地东南部的沁南东-夏店区块煤储层为主要研究对象。综合运用煤层气开发地质学、表面物理化学及储层油气渗流理论,通过煤储层物性实验测试、理论分析及数值模拟等方法和手段,主要开展了高煤阶煤储层的孔裂隙结构探测、煤储层渗透性的应力敏感性实验、煤储层孔渗性动态变化特征及其渗流模型构建、排采过程中煤储层压降传播特征的模拟等4个方面的研究工作。取得了如下成果和认识:(1)开展了高煤阶原生结构煤和碎粒-糜棱构造煤的孔裂隙结构探测实验研究,揭示了小孔(10-100nm)是两类煤吸附扩散孔(<0.1μm)孔容和比表面积的主要贡献者,微孔(1.7-10nm)普遍不发育。构造煤纳米级吸附扩散孔(<0.1μm)普遍较原生结构煤发育,这是构造煤具有较高的气体吸附和扩散能力的主要原因。两类煤的微米级渗流孔(>0.1μm)可明显地划分为两个孔隙阶段,即渗流大孔和渗流中小孔。原生结构煤渗流大孔明显比构造煤的发育,而构造煤渗流中小孔明显比原生结构煤的发育。由渗流孔的分形分析及扫描电镜观测可知,两类煤的实际渗流大孔的孔径尺度下限位于5-6μm之间。构造应力作用是引起两类煤孔裂隙结构差异的根本原因。综合对比两种煤体结构煤的孔裂隙结构特征可知,煤储层的主渗流孔裂隙系统一般由宏观割理裂隙及渗流大孔构成,其发育程度直接控制着煤储层的渗透性。原生结构煤发育的主渗流孔裂隙系统使其具有较好的渗透性。煤储层渗流大孔的实际孔径尺度下限可通过渗流孔的分形分析获得。(2)开展了煤的围压敏感性、回压敏感性及降压强度模拟实验研究,深入探讨了排采过程中煤储层的孔渗性的动态变化规律。煤的围压敏感性实验结果显示渗透率与围压之间呈典型的负指数函数关系。围压增大初期,煤岩的应力敏感性较强,后期逐渐减弱。归因于有效应力作用下煤岩孔裂隙结构的变形特征。推测构造煤原煤也具有较强的围压敏感性。根据煤层气直井排采特点,设计了煤样的回压敏感性实验方法,即通过改变煤样出口端的回压来模拟实际煤层气井的井底压力的变化,测试不同回压状态下煤样的渗透率。随着回压的降低,煤样渗透率也呈指数规律下降。由于外部应力与内部孔隙流体压力对煤岩骨架所受有效应力的改变方式不同,煤岩渗透率的回压敏感性比其围压敏感性相对较弱。回压敏感性实验能够较好地模拟煤储层渗透率对储层压力的敏感性特征。而围压敏感性实验结果会高估实际储层渗透率的损害程度。应力敏感性是煤的固有属性。对比围压和回压对有效应力的改变方式的差异,可推得有效应力系数为回压敏感性曲线回归系数与围压敏感性曲线回归系数的比值。计算所得原生结构煤的有效应力系数明显小于1,所以用terzaghi有效应力来描述煤储层的流固耦合特征会带来较大的误差。煤的围压和回压敏感性对比实验为有效应力系数提供了一种新的求取方法。通过改变煤样回压的降低速度来模拟实际煤层气井井底压力的降压强度。结果显示,煤样渗透率随着回压降低速度的增加而下降,表现出煤样渗透率对降压速度的敏感性,归因于速敏效应。基于相似理论可知,实际的排采降压强度越大,井周储层伤害就越严重。(3)开展了煤储层孔渗性动态变化特征研究及其渗流模型构建。基于表面物理化学原理和煤岩对气体的等温吸附理论,推导了煤吸附膨胀应变的热力学理论计算模型。将s-d模型中的吸附膨胀应变项用推导的吸附膨胀应变理论模型进行替换,并考虑有效应力的一般形式得到了改进的s-d渗透率模型。其中煤的有效应力系数可通过其围压和回压敏感性对比实验求取。基于煤主渗流孔孔隙度和渗透率的经典立方律关系和改进的s-d渗透率模型,推导了主渗流孔的孔隙度模型。提出了一种煤储层原始渗流孔孔隙度的确定方法,即通过压汞实验所测的渗流孔分形无标度区的划分可以确定煤主渗流孔隙的孔径下限,进而获得其孔隙度值。基于改进的s-d渗透率模型对研究区原生结构煤和构造煤储层的渗透率动态变化特征进行了分析。降压前期两类煤岩渗透率均明显下降,且构造煤储层的应力敏感性伤害程度明显比原生结构煤的大;后期基质收缩效应抑制了渗透率的不断下降,且低压时渗透率出现了较小幅度的回升;基质收缩效应对原生结构煤渗透性的改善作用明显大于构造煤。基于常规油气储层的平面径向渗流理论和煤储层的孔渗性动态变化模型,以储层压力为主线构建了变形介质煤储层内单相流体(水或气)的平面径向非稳态渗流数学模型。基质收缩效应使得煤储层具有一定的自调节能力,这也是煤储层特有的孔渗性特征。气饱和煤储层直井产能的模拟结果显示,日产气量整体上呈缓慢的下降趋势,考虑自调节作用的煤储层日产气量和累计产气量均比只考虑应力敏感性储层的大。由于构造煤储层的孔渗性条件和自调节能力相对较差,所以原生结构煤储层的煤层气直井产能明显高于构造煤储层。(4)开展了排采过程中煤储层压降传播特征研究,研究结果表明,煤层气井排水降压前期,恒速降压模式下,储层压力降在纵向上逐渐加深的同时,横向上也缓慢向外扩展。近井带较小范围内储层压降明显,向外压降逐渐减弱。伴随着降压过程近井带储层发生严重伤害,压降漏斗的扩展范围非常有限。所以当井底压力降低到某一水平之后,排采方式应改为井底压力的定压排采,进一步增大压降漏斗的扩展范围。定压排采模式下,可以将压降的传播过程分为两个明显的阶段,即压降漏斗扩展至外边界(井控边界)之前的前期阶段和压降漏斗扩展至外边界(井控边界)之后的后期阶段。一般前期阶段内压降传播速度较快。井底压力越低,相同排采时间内所形成的压降漏斗规模越大。排采时间相对较长或井底压力较低时,外边界条件对储层压降的影响就越大。所以定压排采时,应综合考虑降压作业的成本和降压效果,选择确定合理的排采降压制度使得压降效率达到最高。不管是恒速降压模式还是定压排采模式,生产压差越小(即井底压力越高)时,压降在y储层(考虑应力敏感性)和n储层(不考虑应力敏感性)内的扩展过程差异也越小。可以将煤储层视为n储层,即不考虑煤储层的应力敏感性。生产压差越大(即井底压力越低)煤储层应力敏感性就越明显,应将煤储层视为y储层来处理。生产压差是决定应力敏感性对储层压降影响作用效果的首要因素,相对来说排采时间因素是次要的。另外,排采降压强度越小,应力敏感性对储层压降传播的影响作用就越大。不管是n储层还是y储层,以不同的速度降压至相同井底压力时,降压速度越大,所用降压时间越短,储层内压降漏斗的扩展规模越小。这是降压强度对储层压降传播影响的一般规律,可以认为是多孔介质煤储层的固有属性。其控制机理均可归因于达西渗流定律,即较大的降压速度会导致较大的生产压差梯度。另外,存在一个临界降压速度。实际排采降压速度的选择应根据目标井底压力及临界降压速度的大小综合确定。较高的排采强度下,储层内压降漏斗扩展范围有限,气源供给面积小,这是气井产能低下的根本原因。排采强度对气井产能的影响与井周储层的伤害情况没有直接的关系。对于含气饱和度较低的煤储层,应当尽量放慢排水降压速率,使产气前压降在储层内得到最有效的扩展,保持气井最大的生产能力。原始孔隙度(φ0)、原始渗透率(k0)、泊松比(ν)及裂隙体积压缩系数(cf)是决定压降传播的四个主要储层物性参数。k0是一个与储层压降传播正相关的参数,储层压降传播对其敏感性最强;而φ0,ν及cf均为与储层压降传播负相关的参数,其中ν所表现的敏感性最弱。相同排采条件下,碎粒-糜棱构造煤储层的压降漏斗扩展范围明显比原生结构煤储层的小,显示出较低的压降传导能力,主要归因于其较低的原始渗透率。所以构造煤储层内有效压降范围非常有限,气体不易解吸运移产出,产能低下,煤层气开发难度大。(5)开展了煤层气井网排采的储层压降传播特征研究。区域井网排采过程中井间干扰作用使得储层整体压降的幅度大、速度快,且比较均衡。井网排采克服了单井排采储层压降的局限性,是提高煤层气井产能的一种有效方法。基于井网排采的储层压降特征提出了一种井网布置的优化方法。即定义了一个井网优化指标OI,用以定量描述单位排采成本下的区域总压降值。通过寻找OI峰值即可确定一个最佳的井网布置方式。通过数值模拟获得了对应排采条件下的最优井距,证实了该井网布置优化方法的可行性。