CO₂地质存储与CH₄强化开发技术（CO₂-ECBM）在煤储层内存储CO₂的同时可提高CH₄采收率。本次研究,以沁水盆地南部无烟煤储层为研究对象;计算机断层扫描技术（X-ray CT）与聚焦离子束扫描电镜技术（FIB-SEM）的联合应用,实现了无烟煤储层多尺度孔裂隙结构数字化重构表征;MATLAB数据处理与COMSOL仿真软件的联合应用,实现了实验室尺度及工程尺度CO₂-ECBM流体连续过程数值模拟研究。本次研究取得了以下主要成果:（1）凝练了煤储层孔裂隙结构表征方法,表征了孔裂隙结构的多尺度结果及多尺度粗化,探讨了煤储层赋存、渗流能力与孔裂隙结构的关系:中值滤波处理使孔隙与基质间的过渡变的光滑;切片灰度值的标准化分布直方图实现了阈值的选取;最大球算法实现了孔裂隙网络模型的构建;图像配准实现了孔裂隙结构的尺度粗化。煤储层有机质、无机矿物及其接触区域均发育有孔隙及微裂隙,且孔隙类型主要为有机质孔隙、无机矿物孔隙及差异收缩孔。基于高分辨率尺度孔裂隙结构,可在低分辨率尺度扫描图像的同一位置进行图像配准工作,并可在低分辨率尺度上获得孔裂隙结构的阈值,将此阈值应用到整个低分辨率尺度孔裂隙结构中,即可完成多尺度孔裂隙结构的尺度粗化。煤层气储、渗能力与孔裂隙结构关系密切。孔径介于0-50nm时,连通孔隙的数量随着孔径增大而减少。孔径介于50-200nm的连通孔隙,其数量占该孔径范围内孔隙的77.27%。孔径大于200nm的孔隙皆为连通孔隙。喉道面积主要由孔径大于20nm的喉道所决定,且孔隙与喉道的全局连通表明样品的流体运移能力较强。（2）分析了孔裂隙结构参数,测试了数值模拟所需的储层及气体参数,推导了实验室尺度CO₂-ECBM流体连续过程数值模型,开展了数值运算并分析了数值结果。CO₂及CH₄气体压力场在三维立体、二维平面及一维点上的分布均表明:注CO₂压力及CO₂扩散系数均会对CO₂-ECBM产生影响。同一注CO₂时间下,随着注CO₂压力及CO₂扩散系数的增大,CO₂气体压力呈逐渐增大的趋势,CH₄气体压力呈逐渐降低的趋势,且各注CO₂压力下,储层内CO₂及CH₄气体压力的差异较为明显。不同注CO₂压力及CO₂扩散系数下,煤储层内CO₂及CH₄压力变化均较大,且切片中心CO₂压力的改变量相对较小,切片边缘CO₂压力的改变量相对较大,CH₄压力改变量正好相反。（3）揭示了实验室尺度CO₂-ECBM流体连续过程的动态特征、控制因素及作用机制:注入的CO₂主要以连续性流动为主沿着宏观裂隙和显微裂隙向煤基质运移;CO₂首先置换大孔及中孔内表面覆盖式吸附的CH₄,以形成CO₂的单分子层吸附;继而以Fick型扩散、滑流及表面扩散等方式运移至微孔;进而,CO₂置换出微孔内以体积充填方式吸附的CH₄,并形成CO₂的多分子层吸附。CH₄的运移路径与CO₂正好相反。煤储层内的微孔和中孔是CH₄与CO₂气体的主要赋存场所;孔裂隙尺度上,CH₄的运移路径为:微孔→中孔→大孔→显微裂隙→内生裂隙→宏观裂隙→压裂裂缝;宏观方面,CH₄产出经历的三级流动为:孔隙→天然裂隙→压裂裂缝→井筒;孔裂隙及宏观尺度上,CO₂的运移路径正好相反。煤基质对CO₂的吸附能力约为CH₄的2倍,且煤基质对CH₄及CO₂的吸附与解吸总是处于动态的平衡状态中。（4）分析并推导了地质物理模型及基本假设,推导了工程尺度CO₂-ECBM流体连续性过程多场全耦合数学模型,分析并研究了地质模型、数值参数及数值方案,开展了CO₂-ECBM增产效果评价的数值模拟研究:直接开采过程中,储层气体压力随时间的增加而减小,且减小趋势趋于平缓。注CO₂开采过程中,气体压力随时间呈快速增长趋势,初期增长较快,后期增长较慢。CO₂注入对CH₄累积产量有增强作用;注CO₂井与生产井之间的压差是CO₂和CH₄渗流的驱动力。增加CO₂注入压力可在短时间内提高压差,提高气体能量。CO₂从裂缝扩散到孔隙的速度越快,煤中CH₄的析出范围越大,提高了CO₂的注入速度和CH₄的产量。增加CO₂注入压力对提高CH₄累积产量和CO₂累积储存量有积极作用;储层与边界的压差和气体的竞争性吸附是影响储层渗透率的主要因素。当CO₂注入未达到生产井时,CO₂注入井附近渗透率主要受气体的竞争性吸附影响,而生产井附近渗透率主要受差压影响。当CO₂注入扩散到生产井时,竞争吸附效应将逐渐取代生产井附近压差对渗透率产生影响。该论文有图82幅,表16个,参考文献266篇。