抽采煤层甲烷既可以降低矿井瓦斯灾害风险,又可以减轻温室效应,还可以获得天然气资源。因此,抽采煤层甲烷气受到世界各国的普遍重视。我国煤层气可采资源量达11×1012 m3,云南低煤阶煤层气资源十分丰富,开发潜力很大。但低煤阶煤层气资源研究与勘探工作程度相对较低。近年来,随着我国煤层气勘探开发推进,云南省的煤层气资源勘探开发开始受到关注。因此,开展云南低煤阶煤层气基础理论研究,具有明显的理论与实际意义。煤层气主要以吸附状态赋存于煤基质微孔隙中,煤层气的产出包括解吸、扩散和渗流三个阶段。煤层的甲烷吸附扩散性能是评价煤层气资源量及开发潜力的关键参数之一,目前低煤阶煤的吸附扩散性能及控制机理不清楚。这对这一问题,本文以云南东南部典型低煤阶煤为研究对象,运用煤岩学、煤层气地质学、渗流力学等理论,通过实验测试、理论研究及数值模拟等方法,,研究了低煤阶煤的煤岩煤质特征、基质孔隙特征、甲烷吸附扩散性能及产气规律,揭示了研究区低煤阶煤甲烷吸附扩散规律及控制机理。取得的主要成果和认识如下:(1)研究区典型低煤阶煤的宏观煤岩类型主要为暗淡煤,其比重较轻,质地松软,易污手;其中,石槽河2号煤样割理较为发育,割理系统有矿物充填,煤块的硬度较大,且含有斑状黄褐色黄铁矿;山心村矿的煤样水分含量相对较高,文山普阳煤样质地相对较硬,断口可见黄铁矿颗粒。煤样水分含量比较高,约20.24%~57.26%;灰分产率相对较低,约2.39%~20.46%;干燥无灰基的挥发分产率约50%左右,干燥无灰基的固定碳的含量在23.37%~47.98%;腐植组反射率平均在0.3左右,为低煤阶煤褐煤。煤样中含有少量蒙脱石、高岭石、石英、方解石、黄铁矿、石膏以及大量的非晶质。蒙脱石等膨胀性粘土矿物的存在,表明在煤层气井施工中,存在储层伤害的可能性,建议在今后的钻井施工中使用抗膨胀剂。(2)应用低温氮吸附法、压汞法测试了煤样的基质孔隙分布特征,通过原子力显微镜下的观测,考察了低煤阶煤基质纳米孔隙的形貌特征,并与河南新安矿中煤阶烟煤、山西省晋城矿区寺河矿高煤阶无烟煤进行了孔隙形貌特征的对比分析。结果表明,低煤阶煤样基质孔隙以平板型开放性中孔为主,含有部分半封闭孔;低煤阶煤的中孔发育程度明显高于中、高煤阶煤。煤的平均比表面积为1.32468m2/g;其中中孔比表面积所占的比例最高,达到60%以上,而微孔虽少,但对比表面积也有着较高的贡献;孔隙直径均值为27.2523nm,属于中孔范围;中孔对其孔容的贡献率达到80%以上,其次是大孔和微孔。压汞实验结果显示低煤阶煤样中可见孔、大孔和中孔发育,但连通性不好;低煤阶煤中存在一定量的“墨水瓶”型、半封闭的吸附孔;孔隙率较高,平均值为20.7913%,压汞法得到的比表面积均值为10.005m2/g。原子力显微镜观测显示,研究区褐煤样和河南新安矿烟煤样的基质中孔发育,而晋城寺河矿的无烟煤样基质孔隙为大孔;在相同分辨率下,研究区褐煤大、中孔的孔隙数量明显多于无烟煤的孔隙数量,我们认为无烟煤中发育更多数目超过原子力显微镜观测范围的微孔和超微孔。(3)采用高压容量法进行了云南东南部典型低煤阶煤样的等温吸附实验,考察了温度、水分条件变化对吸附能力的影响。结果表明,低煤阶样品的甲烷吸附能力相对较低,远低于中高煤阶煤吸附能力。在25℃~27℃、平衡水条件下,云南东南部褐煤样品的兰氏体积为2.15 m3/t~4.61 m3/t,兰氏压力为3.17 MPa~7.67MPa。而太原西山矿区中煤阶煤样在27℃、平衡水条件下的兰氏体积为25.37 m3/t,兰氏压力为1.91 MPa。在温度条件近似的情况下,干燥煤样吸附能力高于平衡水样。平衡水样的吸附能力随温度升高而略有上升,原因可能有两方面:一是温度上升,水分挥发速率增快,自由空间水分含量增多,煤基质实际含水量减少,水分子占据的吸附位减少,导致甲烷的吸附能力略有上升;二是可能存在实验误差,因为实验温度实际上并不是定值,而是随时间有一定幅度波动。温度波动对低煤阶煤样吸附实验结果的影响大于对中煤阶煤样的影响,即,吸附能力越低,受温度波动的影响越显著,其实验结果的误差越大。研究区褐煤的兰氏压力高于山西中煤阶煤的兰氏压力,表明在排水降压过程中,低煤阶煤吸附的气体更容易解吸。随着温度的升高,低煤阶煤样的兰氏压力也升高,表明温度升高,甲烷气体更易脱附、解吸,吸附能力有所上升。温度变化对吸附能力的影响相对较小,而对兰氏压力的影响相对较大。(4)建立了低阶煤气体扩散系数计算模型,提出了描述低阶煤初期吸附扩散行为的单孔隙模型。基于不同温度、水分条件下的甲烷等温吸附实验实时监测数据,应用一元孔隙模型进行了低煤阶煤基质甲烷扩散系数的模拟计算,并比较了不同煤阶煤基质甲烷扩散性能的差异;进行了吸附扩散实测数据与拟合数据的比较,揭示了温度、水分、吸附能力对甲烷扩散行为的影响。。结果表明,甲烷在低煤阶中的扩散性能高于在中煤阶煤中的扩散性能,云南东南部典型低煤阶煤样扩散系数为4.4E-13~2.63E-12m2/s,0.20mm~0.25mm粒径的煤粒吸附时间常数为320.76s~1917.85s,粒径越大,扩散路径越复杂,吸附时间常数越大。低煤阶煤的甲烷吸附能力与扩散系数正相关,吸附能力强的扩散系数也相对较高。基于一元孔隙结构的扩散模型可以较好地描述研究区低煤阶煤样的扩散行为。而对于中煤阶煤,一元孔隙扩散模型可以较好地描述初期的吸附扩散行为,但随着时间的推移,由扩散系数计算的拟合值高于实际测试值,表明实际扩散系数降低了,扩散性能随时间的推移而下降。扩散模拟结果易受吸附过程温度波动的影响,吸附能力越弱的样品,受温度波动的影响越明显。温度越高,扩散系数越高;水分的存在抑制了甲烷的扩散,降低了低煤阶煤的扩散系数。基于一元孔隙扩散模型,低煤阶煤干样的扩散系数高于平衡水样,水分对扩散系数的影响强于温度的影响。(5)通过低煤阶煤层气井产气特征的数值模拟计算,分析了含气饱和度、煤厚、排采控制面积、温度、渗透率及割理压缩率等对煤层气井产气潜力的影响,揭示了低煤阶煤层气较快的扩散效率和解吸特征。数值分析结果表明,对于吸附饱和气藏,产气速率对于排采面积较敏感,排采面积大的气井产气速率、累计产气量以及产水速率均明显高于排采面积小的气井;但气井的产气速率峰值差别不大,排采面积大的峰值相对较高,但其后期产气速率明显高于排采面积小的气井。煤层气井生产规律对液面降速不敏感,降速高的气井产气速率和累计产气量略高,而产水速率略低。同等地层压力条件下,吸附饱和的煤层气藏可以获得较高的煤层气产气速率、累计产气量及较低的产水速率;而吸附不饱和的煤层气藏,由于含水较多需要排水,其达到产气速率峰值所需的时间较长,且产气速率峰值较低,不利于获得较好的排采效果,有必要采用储层改造措施。对于吸附不饱和煤层,煤厚对于产气规律的影响比较显著。吸附饱和度小于1的气井产水速率远高于吸附饱和度为1的煤层,含气饱和度低于1的煤层产气产水规律受温度影响更显著。在低煤阶煤层渗透率较好的情况下,解吸时间常数或扩散性能对排采的影响不显著。煤层渗透率、割理压缩率对产气规律影响较大。对于吸附不饱和的低煤阶煤层,采用压裂措施,可以显著增强排采效果,有利于取得较好的经济效益。