煤层气作为煤炭的伴生矿物,其地质资源丰富。随着“碳达峰、碳中和”理念的提出,封存二氧化碳的作用和意义更加显现。同时,煤炭作为我国的主体能源,其生产过程的安全性尤为重要。瓦斯作为煤炭的伴生物,是引起瓦斯爆炸、瓦斯窒息及瓦斯突出事故的主要因素,如何降低矿井瓦斯浓度,保证矿产和人员的安全至关重要。二氧化碳泡沫压裂驱替煤层气技术是目前煤层气开采的主要技术手段,不仅可以高效的驱赶煤层气,降低瓦斯危害的同时增加煤层气产量,还可以将CO2封存在地层中,减少碳排放。然而,该技术主要应用于石油开采增产活动,在煤层气开采技术中应用较少,CO2泡沫压裂液体系在煤层气开采利用中还没有成熟的体系。本文通过对煤层气地质赋存环境进行分析,探究酸碱度以及金属离子对泡沫压裂液的影响,研制出与煤层气赋存环境相适应的CO2泡沫压裂液体系,同时进一步考察了CO2泡沫压裂液的增透性能。主要研究内容及结果如下:（1）煤层气赋存环境探究。实验以准格尔旗黑代沟（HDG）长焰煤、古交镇城底（ZCD）焦煤、沁水县寺河（SH）无烟煤和寿阳县开元（KY）无烟煤作为研究对象,首先对其煤样浸泡液酸碱度进行分析,四种煤样的浸泡液测试结果均为弱碱性。同时对其进行ICP金属盐离子测定,HDG长焰煤的含Mg2+率在四种煤样中最高,达到11.9mg/L;ZGD焦煤的含Na+率相对最高,为57.8 mg/L;SH无烟煤的含Ca2+率是四种煤样中最高的,达到了40.7 mg/L。三种金属离子均存在于煤体中,且占有一定的比例。（2）酸碱度对起泡剂的影响作用研究。通过起泡剂的耐酸碱度实验研究分析,酸碱度对4种类型的8种表面活性剂均有不同的作用。随着p H的不断增大,阴离子表面活性剂A和B的泡沫质量和泡沫半衰期均不断增大;剩余6种表面活性剂的泡沫质量和泡沫半衰期均呈下降趋势。阴离子表面活性剂在弱碱条件下的泡沫稳定性良好,其余类型的表面活性剂随着p H的增大,泡沫稳定性不断降低。（3）金属离子对起泡剂的影响作用研究。通过起泡剂的耐金属离子实验研究分析,8种表面活性剂在不同浓度的3种金属离子(Na+、Mg2+、Ca2+)起泡基液中的稳泡性均有不同的变化趋势。可以发现,金属离子促进了阴离子表面活性剂的泡沫质量和泡沫半衰期,从而增强了泡沫的稳定性。其他三个类型的6种表面活性剂,在金属离子的作用下,泡沫的稳定性发生不同程度的降低。同时利用分子动力学模拟,对阴离子表面活性剂SDS在不同金属离子基液中形成的泡沫壁中的水分子扩散特性和金属离子水合作用进行了研究,从微观角度论证了金属离子对泡沫稳定性的影响。（4）CO2泡沫压裂液的优选与配置。通过影响因素分析,进行了起泡基液配置,以配置的起泡基液为基础,对8种表面活性剂一元状态下的稳定性展开研究。同时基于8种表面活性剂的一元考察结果,优选了其中7种表面活性剂进行二元复配。结果发现,当阴离子表面活性剂B与两性离子表面活性剂E以1:4的比例进行复配后,整体效果最好,泡沫质量达到了83.25%,泡沫半衰期达到了322 s,均为复配测试中的最大值。同时,根据实验室之前的实验结果,添加十二烷基三甲基溴化铵150 mg/L（反转剂）和0.48%的厄瓜尔多尔胶（稳泡剂）,最终构成最优CO2泡沫压裂液配比。（5）BET-比表面积分析。利用BET-比表面积仪分析,可以明显的看出,四种煤样经CO2泡沫压裂液处理之后,其对应的分形维数D呈明显下降趋势,这就意味着煤样经过CO2泡沫压裂液处理之后孔隙结构有由复杂向简单转变的趋势。CO2泡沫压裂液处理使得煤样微孔和小孔比例减少,分形维数相应减少,更有利于煤层气的解吸。同时,经过CO2泡沫压裂液处理后的煤体比表面积明显降低,这也意味着煤层气吸附的面积减小,从而促进了煤层气的抽采能力。（6）傅里叶红外分析。通过对四种煤样的原煤及CO2泡沫压裂液处理后煤样的羟基吸收伸缩振动区(3700-3100 cm-1)的峰进行分峰拟合求得各自的峰面积。随着变质程度的增加,原煤中羟基振动吸收峰的面积呈下降趋势,由此可以推断煤中所含羟基官能团数量:HDG长焰煤＞ZGD焦煤＞SH无烟煤≥KY无烟煤。经过CO2泡沫压裂液处理后的煤样的羟基峰面积均有不同程度的减小。这说明CO2泡沫压裂液进入煤体后,与煤中的羟基相结合,吸附于煤体中,从而促进了瓦斯的解吸,同时抑制了煤体的氧化。因此,深入的研究CO2泡沫压裂液与煤层气赋存条件的适应性对煤层气开采工程具有现实意义,对CO2泡沫压裂技术的应用具有一定的参考价值,为煤层气开采技术下的CO2泡沫压裂液的进一步优化提供了理论基础。