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本文通过对5个盆地/含煤区的109个煤矿井下实测,开展了煤岩组分和反射率测定、压汞和低温氮吸附(77K),以及孔渗、等温吸附和扫描电镜分析等常规实验工作,同时实施了煤样吸附孔小角度X射线散射(SAXS)、渗流孔核磁共振(NMR)、裂隙X射线CT扫描(X-CT)和三轴渗流-声发射-超声耦合实验分析等开创性实验。研究了延川南和沁南区块煤层气控气模式,孔裂隙结构演化规律和机理,孔隙和裂隙演化的流体响应机制,以及储层物性热演化的煤层气产能控制机理。主要成果和认识如下:(1)阐明了延川南区块和沁南区块煤层气控气地质,揭示了延川南为煤厚、埋深、水力封堵和浅背斜构造综合控气,沁南为向斜和水力滞留叠加控气。(2)基于煤岩孔隙结构的定量分析,阐明了煤储层孔隙结构演化机理,结果显示低温N2吸附和SAXS技术结合使用可以获得封闭吸附孔隙体积。煤储层孔隙结构演化受温度、压力、水分、显微煤岩组分、灰分和煤质程度多因素控制。孔隙吸附能力取决于孔隙表面复杂度和孔径大小。(3)阐明了煤储层孔隙结构的热力学演化规律,即不同煤级煤储层,热增加孔隙度都有增加的趋势,但其增加幅度差异较大。揭示了孔隙结构演化的流体动力学响应机制,热对煤储层渗透性的作用随着煤级的增加而减弱,建立了气体吸附、热膨胀、有效应力与渗透率的耦合模型。(4)揭示了煤储层裂隙演化的声学变化规律和力学响应机制,即裂隙产出与矿物界面倾角密切相关(50°为界)以及裂隙演化具有记忆效应。裂隙演化过程声发射特征具有两期性:在20%?max和80%?max形成裂隙簇(?max为最大主应力)。X-CT扫描定量裂隙孔隙度演化过程,建立了煤储层有效应力、裂隙孔隙度与裂隙渗透率的预测模型。(5)阐明了热力作用下煤层气储层物性参数变化规律,即对高煤级煤储层孔渗性和吸附性作用程度要小于中低煤级煤储层。数值模拟分析了煤储层物性演化的煤层气产能控制,热改造煤层气井稳产时间依次为高煤级>中煤级>低煤级,从煤层气工业开发角度来看,热对提升高煤级煤层气产能更有价值。