本文充分运用煤层气地质学、煤岩学、煤田地质学、表面物理化学、弹性力学等学科理论知识,系统研究了不同温度、压力条件下粉煤与原煤对CO2、CH4气体的吸附解吸特性及影响因素。详细分析了不同温度压力、不同CH4原始吸附平衡条件下气体CO2置换以及超临界CO2状态下置换机理及影响因素。揭示了不同围压、不同注气压力条件下CO2置换CH4过程中应力应变以及渗透率变化规律。基于实验室测试分析,构建了高阶煤吸附CH4过程中的渗透率变化模型,建立了CO2置换CH4过程中应力应变、渗透率变化模型,结合测试数据对模型的准确性进行了验证,分析了弹性模量、含气饱和度、原始渗透率等参数对渗透率的影响。以沁水盆地柿庄北CO2置换CH4现场先导型实验为依托,采用Comsol数值模拟软件分别模拟了不同注气压力、不同原始储层渗透率条件下CO2的运移规律以及置换过程中渗透率变化规律,为现场CO2置换CH4提供理论基础。进行了20℃、30℃、40℃条件下粉煤对CO2、CH4气体的吸附解吸实验,高温高压超临界CO2的吸附解吸实验以及原煤状态下的吸附实验。实验研究发现:温度主要对煤吸附CO2、CH4过程中的最大吸附量、吸附平衡压力、吸附曲线拐点压力几个参数的影响。对于CH4气体,随着温度的增加其最大吸附量逐渐降低,由20℃的39.5m3/t降低到40℃时的26.58m3/t,说明温度的升高增加了CH4气体的分子自由能,气体分子变得活跃,不易被吸附。CO2气体的吸附趋势具有相同趋势,由20℃时的46.71m3/t降低到35.47m3/t。对于高煤阶而言,从本次实验吸附量的角度可知,不同温度下煤对CO2吸附量是对CH4吸附量的1.1~1.4倍。不同温度下CH4、CO2气体的吸附平衡压力随着温度的增加缓慢增加。同一温度下,煤对CO2的吸附平衡压力要远远小于煤对CH4气体的吸附平衡压力,高煤阶煤对CH4的吸附平衡压力是对CO2吸附平衡压力的2.75倍。对于CH4、CO2的吸附过程,随着温度的增加其拐点压力逐渐降低,CH4、CO2气体的急剧吸附范围越小。指出了超临界CO2吸附解吸机理。超临界CO2的吸附解吸采用绝对吸附量计算之后,其吸附解吸趋势与常规气态CO2的吸附解吸具有相同的趋势,其吸附解吸曲线也具有可逆性。原煤结构与粉煤结构对CO2、CH4的吸附趋势一致,差别主要是吸附量的差别,由于粉煤的孔体积、孔比表面积要远远大于原煤的孔体积、孔比表面积。由于孔体积、孔比表面积与CH4、CO2的吸附量之间呈正相关关系,这为CH4、CO2的吸附提供了足够的空间,大大增强了粉煤的吸附能力。分别进行了20℃、30℃、40℃温度条件下的CO2置换实验以及CH4吸附平衡压力为2MPa、3MPa、4MPa条件下的CO2置换实验;同时进行了超临界CO2条件下CO2置换实验。实验发现:温度的不同会影响到气体之间的分离因子,温度越高,分离因子越低,20℃时co2、ch4的分离因子为5.45,30℃时为3.85,40℃为3.03。在低温时由于分离因子较大,co2置换ch4效果更高。当气体压力低于2mpa之后时,三种温度情况下co2吸附相浓度明显增加,相反ch4气体的吸附相浓度相对明显降低;低温、低压情况下更利于co2置换ch4,置换效果最好。由于原始ch4吸附平衡压力的不同,co2与ch4气体的原始分压情况也不同,原始ch4吸附平衡压力越高,ch4气体分压越强,co2分压会被减弱,co2与ch4的吸附相浓度差值越低,吸附量差值也会越低,因此随着ch4原始吸附平衡压力的增加co2置换效果越差。在超临界范围内,温度越低其置换效果越好,在相对低温的条件下,超临界co2性质更加接近液体的性质,煤基质会吸附更多的co2,ch4气体则会被更好地置换出来;随着压力的不断降低,温度的不断升高,超临界co2会接近气体的性质,其置换效果与同温度下的气体置换效果较为接近。当储层温度、压力达到超临界co2的条件时,温度、压力越接近临界点时,其置换效果越好。揭示了co2置换ch4过程煤基质应力应变特征。基于co2置换ch4过程中渗透率变化实验分析,co2、ch4单组份吸附时,二者渗透率变化趋势一致,即先降低后增加,区别在于吸附ch4过程中渗透率值略小于吸附co2过程中的渗透率,说明有效应力减小的正效应对吸附co2过程的影响要强于吸附ch4的过程,有效应力减小的正效应促使其渗透率略大。co2置换过程中煤体对ch4、co2以及混合气体吸附的吸附趋势一致。围压6mpa、8mpa情况下三种置换解吸曲线趋势呈现“降低—平稳—急剧下降”的趋势。围压10mpa、12mpa、14mpa三种气体的解吸曲线呈现平稳下降,此时高围压及高有效应力抑制了煤基质的变形,因此随着气体压力的降低,吸附量曲线呈现稳定下降的趋势。当液化时混合气体的吸附总量几乎不变,co2的吸附量增大,此时ch4还处于气体状态,ch4的吸附量明显下降,加上高注气压力使得co2吸附量增加。随着注气压力的降低气体状态下的置换比逐渐增高,围压6mpa下的置换比在低压情况下增加较快,因此在液态及低压情况下利于co2置换ch4。co2为气体状态时,随着有效应力的增加应变整体降低,同样呈现出低围压(6mpa、8mpa)范围内应变下降急剧,高围压(10mpa、12mpa、14mpa)范围内应变下降范围较小,说明高围压、高有效应力对煤基质变形有抑制作用,径向应变的趋势主要影响着体积应变的趋势,说明在co2置换ch4的过程中置换解吸主要发生在径向方向,因此径向方向的应变变化值较轴向应变的变化值大。当co2为液态时,随着置换的进行,有效应力的增加,co2气化初期大量co2被瞬间吸附,出现基质瞬间膨胀现象。随着解吸及有效应力增大的过程,基质发生收缩现象,应变开始变小。得出了co2置换ch4过程中渗透率变化规律。co2气态置换时,渗透率变化趋势具有明显的分区现象,围压6mpa、8mpa呈现“先稳定减小—急剧减小—急剧增加”现象,初期有效应力的增加产生的负效应略高于解吸收缩产生的正效应,渗透率出现缓慢降低的现象;随着有效应力的增加,其产生的负效应逐渐占据主导作用,当注气压力低于3MPa时,有效应力产生的负效应占据主导作用,促使渗透率急剧下降,当注气压力降低到2MPa之后,大量的气体被解吸置换出来,此时煤基质解吸收缩占主导作用,同时在低压状态时,气体分子运移存在滑脱效应,置换后期渗透率会急剧增加。相对高围压(10MPa、12MPa、14MPa)的渗透率变化曲线呈现“稳定降低—稳定增加”现象,相对高围压对煤基质具有抑制作用,因此随着CO2的置换解吸进行,置换初期有效应力增加产生的负效应占主导作用,渗透率稳定下降,当注气压力降低到3MPa之后,煤基质的解吸收缩产生的正效应占据主导作用,促使渗透率逐渐增加。液态CO2置换时测得的渗透率高于气态置换时的渗透率。基于表面物理化学、弹性力学、煤层气地质学等学科理论,分别建立了CH4吸附过程中的渗透率变化模型,以及CO2注入置换过程中的渗透率变化模型。结合实验室测试数据,分别对数学模型进行了验证,通过模型验证结果分析了含气饱和度、弹性模量等参数对吸附CH4过程中渗透率变化的影响。同时为了分析CO2置换过程中渗透变化规律,基于模型计算,揭示了不同含气饱和度情况下注入CO2过程及CO2置换过程中应变、渗透率的变化规律,即注入过程中由于气体大量吸附,煤基质膨胀作用大于有效应力及孔隙压力对基质的作用,应变增大,渗透率减小;置换解吸过程中,气体的大量解吸,煤基质发生解吸收缩,此时煤基质的收缩作用大于有效应力增加以及孔隙压力减小对煤基质的作用,应变减小,渗透率增加,且当孔隙压力低于2MPa之后,渗透率急剧增加,与实验过程中渗透率变化规律相一致,因此所建立的CO2置换CH4过程中应力应变、渗透率变化数学模型具有一定的准确性和普适性。依托沁水盆地柿庄北煤层气区块CO2置换CH4现场生产项目,采用Comsol数值模拟软件,分别对不同注入压力下的CO2的运移规律以及不同注入压力、不同原始渗透率条件下渗透率变化规律进行了模拟。注气压力越高,气体运移越快,CO2扩散到生产井附近的年限越短,但由于注气增高,促使CO2吸附量增加,吸附膨胀会造成注入井渗透率的降低;当CO2扩散到生产井时会造成生产井渗透率降低,最终储层渗透率会降低到原始储层渗透率以下。注气压力较低时(6MPa),CO2运移速度相对较慢,扩散到生产井的年限较长,但其对煤储层的渗透率具有一定的改造作用;注气压力较低时,CO2会缓慢扩散到生产井附近,会使得生产井附近的CH4气体会充分置换出来,生产井的产量维持时间长,CH4气体的充分置换解吸,煤基质收缩促使煤储层渗透率提高,最终渗透率高于原始渗透率。