本文旨在研究煤体注CO₂置换对煤体渗透率及采收率变化特征,以煤层气地质学、表面化学、煤岩学、吸附热力学等学科为理论基础,开展了不同条件下的粉煤/块煤对CO₂、CH₄气体的吸附/解吸实验及CO₂置换CH₄物理模拟研究,揭示了温度、压力等因素对气体吸附性及气态/超临界CO₂置换效果的影响规律,同时探讨了围压、孔压对CO₂置换过程中煤岩应变、渗透率变化的影响。在以上研究的基础上,构建了煤层注CO₂后储层渗透率动态变化数学模型,结合实验测试数据对模型准确性进行了验证,分析了岩石力学参数、吸附参数、滑脱系数等参数对渗透率的影响。同时在启动压力梯度实验的基础上,建立了煤层注CO₂后不同渗透率下煤层气采收率预测模型,并结合现场参数对煤层气井采收率进行预测,为现场注CO₂提高煤层气采收提供理论依据。进行了不同温度下煤体对CO₂、CH₄单组分及二元混合气体的吸附/解吸实验研究。研究发现:随着温度的升高,煤体对单组分CO₂、CH₄气体的吸附量降低,气体吸附平衡压力也随之增加。其中各温度条件下余吾样对CO₂的吸附量是CH₄的1.12¹.25倍。在CO₂、CH₄二元气体吸附/解吸实验中,由于吸附相的CO₂气体部分被溶解,导致解吸曲线与吸附曲线不一致,使得煤样对二元气体吸附/解吸表现出非可逆性。同时,煤体对二元气体的吸附量随混合气体中CO₂组分浓度的增加呈指数函数关系增大。在吸附过程中,煤体优先吸附CO₂,但其吸附速率逐渐降低,而CH₄吸附速率相对增加;随压力的增加,CO₂游离相浓度相对增加,而CH₄游离相浓度相对减小。在解吸过程中CH₄优先解吸,随着压力的降低,CO₂游离相浓度呈增加趋势,CH₄游离相浓度则降低,CO₂的解吸速率逐渐增加,而CH₄的解吸速率由快变慢。分别进行了不同温度（20℃、30℃、40℃）、压力（2MPa、3MPa、4MPa）条件下粉煤注CO₂置换CH₄实验,揭示了温度及压力对CO₂置换CH₄效果的影响规律。结果显示:置换过程中,CH₄气体吸附相浓度随着压力的降低而相对降低,随温度的升高而呈上升趋势;而CO₂吸附相浓度随压力的降低而增加,随着温度的升高呈现降低趋势。置换过程中,CO₂气体的吸附相、游离相组分分离曲线呈下凹型变化,而CH₄相组分分离曲线呈现上凸式变化;且温度越低,各相组分分离曲线分离程度越大。同时随着温度由40℃降至20℃,置换解吸的CH₄单位压降解吸率由10.51%/Mpa升至10.83%/Mpa,低温情况下更利于CO₂置换CH₄,置换效果最好。在不同CH₄吸附平衡压力条件下注CO₂置换解吸过程中,随着CH₄吸附平衡压力增加,CH₄气体吸附相浓度升高,CO₂气体吸附相浓度呈减小趋势。且CH₄平衡压力对置换解吸过程中CH₄、CO₂气体的吸附相、游离相浓度分离曲线并无明显影响,各压力下的分离曲线基本一致。同时CH₄平衡压力由2MPa升为4MPa,CH₄单位压降解吸率由11.21%/Mpa降至9.59%/Mpa,表明低CH₄平衡压力下置换效果更好。进行了不同温度条件（35℃、45℃、55℃）下煤对超临界CO₂的吸附解吸实验及置换CH₄实验,揭示了不同温度对超临界CO₂吸附/解吸特性及其置换CH₄效果的影响规律。超临界状态下煤样对CO₂的Gibbs吸附量存在极大值,而绝对吸附量符合一类等温吸附线特征,且绝对吸附量与Gibbs吸附量的误差与压力呈线性正相关关系。温度对超临界CO₂吸附性的影响与气态CO₂一致,皆随温度的升高而降低。超临界状态下注CO₂置换CH₄实验中,随着温度的升高,CO₂吸附相浓度呈现上升趋势,CH₄吸附相浓度呈降低趋势。CO₂气体的吸附相、游离相组分分离曲线呈下凹型变化,CH₄气体吸附相、游离相组分分离曲线呈现上凸式变化,且温度越高,CH₄、CO₂的吸附相及游离相组分分离曲线分离程度越大。温度由35℃升至55℃,CH₄单位压降解吸率由6.47%/Mpa降至6.38%/Mpa,同时随着压力的降低CO₂、CH₄的吸附相浓度差别越大,即越来越多的CO₂被吸附,越来越多的CH₄气体被解吸出来,说明在超临界范围内,温度、压力接近临界条件时,CH₄气体解吸率较高,置换效果更好。使用混合气体驱替煤层气试验机对圆柱体原煤试样进行了不同围压（8、12、16、20MPa）、不同注气压力（1.25⁶.25MPa）条件下注CO₂置换CH₄实验研究,探讨了围压、孔隙压力对置换过程中气体的吸附性、膨胀应变及渗透率的影响。结果表明:置换过程中,CO₂吸附相浓度随孔隙压力降低而上升,随围压的增加而降低,而CH₄吸附相浓度呈现与CO₂相反的变化趋势。且围压越大,CO₂、CH₄吸附相浓度的增减幅度越小。气体的吸附量随孔隙压力降低呈现先缓后急的降低趋势,随围压的增加而降低。同时发现CO₂、CH₄吸附量的比值随孔隙压力的增加呈乘幂函数关系升高,随围压的增加而降低。在相同压降条件下,CH₄单位压降解吸率随围压增加呈线性关系降低,且相对于纯CH₄解吸实验提高了106.5%¹19.6%,说明煤体注CO₂能够有效提高CH₄解吸率,且在低围压下置换效果更好,CO₂驱替效率更佳。煤岩轴向、径向、体积膨胀应变随孔隙压力降低呈显―平稳变化-急剧下降-缓慢下降‖的变化趋势,拐点分别为5.25MPa及3.25MPa,同时应变随有效应力的增加呈指数函数关系降低。各围压下煤岩径向应变大于轴向应变,且煤岩轴/径向应变差值随着孔压的降低而减小,随围压增大而降低,这表明随着煤储层注CO₂置换甲烷排采解吸的进行,煤岩垂向及水平向应变的差异性会逐渐降低,且埋深较浅的煤层其垂向、水平向应变差异性更加明显。轴向、径向、体积膨胀应变皆随围压的增加而减小,表明高围压对置换过程中煤体的膨胀起抑制作用。在有效应力效应、基质收缩效应和滑脱效应综合影响下,置换过程中煤岩渗透率随着孔隙压力下降呈现先减小后增加的变化规律,压降后期渗透率相对于初始值提高了1.18%⁹.58%。同时围压对煤岩渗透率起负作用,围压越大渗透率越小。在实际排采过程中,三大效应对煤岩渗透率的影响效果并不是恒定的,而是有效应力负效应、基质收缩及滑脱效应正效应的影响效果随着孔隙压力降低不断变化,且围压越高,三大效应对煤岩渗透率的影响效果会逐渐减弱。在多孔弹性介质应力-应变本构方程基础上建立了煤层注CO₂后排采解吸过程中煤基质变形数学模型及储层渗透率变化模型,其对研究区渗透率预测结果与实验测试结果的平均误差为2.89%,具有较高的准确性。渗透率模型的影响因素分析显示,围压、割理压缩系数、泊松比与储层渗透率呈负相关关系,气体最大吸附量、滑脱系数与储层渗透率呈正相关关系。同时以所建立的井控范围内渗透率变化数学模型为基础,探讨了井控范围内储存渗透率在水平平面空间上的变化规律。排采过程中,渗透率在距井筒4米内先急剧上升再快速降低至初始状态以下,随后随传播半径的增加慢慢恢复至初始状态。且随着围压的增加,渗透率下降幅度增大。在实验研究渗透率与启动压力梯度关系的基础上,建立了煤层注入CO₂前、后煤层气井的理论最大采收率数学预测模型,使用建立的模型预测研究区未注CO₂时煤层气采收率为12.13%²5.24%,注入CO₂后煤层气井采收率增至25.11%⁵8.96%,相对提高了107.02¹60.43%。同时实现了采收率数学模拟的参数敏感性分析,分析表明采收率随启动压力梯度增加呈幂函数关系降低;随临界解吸压力、渗透率的增加呈幂函数关系增加;随储层原始含气量增加呈指数关系上升;与气体吸附常数呈对数关系。