煤储层封存二氧化碳提高煤层气采收率（CO₂-ECBM）技术具有经济和环境双重效益。由于储层流体的运移能力、煤层气产出和二氧化碳封存速度由储层渗透性决定,而煤储层渗透性的动态变化较复杂,已成为当前研究的热点。针对煤体与CO₂、水相互作用的深入研究还较浅,而查明煤岩与CO₂、水相互作用规律可以为深煤层注CO₂提高煤层气采收率技术提供一定的科学依据。本文充分运用煤层气地质学、煤岩学、煤田地质学、物理化学、地下水地球化学等理论知识,系统研究了注CO₂提高煤层气采收率过程中由化学因素对煤层渗透率的影响规律。通过煤体与CO₂、水的化学反应模拟实验,利用扫描电子显微镜、能谱分析、矿物成分分析、反应溶液成分分析、液氮吸附实验、渗透率测试等测试方法,探讨了煤体与CO₂、水相互作用的反应机理和影响因素,揭示了化学反应对煤体结构变化的影响及渗透率变化规律,建立了关于煤储层孔裂隙中充填矿物溶解后的渗透率变化数理模型,结合沁水盆地柿庄北区块开展的煤层井组（SX006井组）注入CO₂现场试验数据,分析了排采井产出水的离子成分含量变化,煤储层渗透率的变化以及对产气效果的影响。以马兰、沙曲矿中阶煤煤样为实验研究对象,在常温常压下,进行了煤层中注CO₂化学反应模拟实验。通过扫描电镜观察煤样与碳酸溶液反应前后的煤表面孔裂隙结构变化,发现马兰、沙曲煤样的气孔、晶间孔较发育,气孔大小为0.1-2μm。晶间孔发育的矿物主要是高岭石,其它孔隙常被方解石、高岭石充填。孔隙之间连通性差异较大,个别观察区域形成蜂窝状孔隙,连通性较好;组织孔各自发育,相互之间一般不连通;气孔之间大多互不连通;晶间孔仅在发育较好的矿物质中局部连通,各类孔隙之间也没有明显的连通关系。另外,张性裂隙、缩聚裂隙也有少量存在,缩聚裂隙中也有高岭石充填,张性裂隙未发现矿物充填现象。煤样与碳酸溶液反应后,部分孔裂隙中的矿物被溶解,孔隙扩大,同时也出现矿物重结晶现象。对煤样反应前后的矿物成分测试后发现,煤中碳酸盐矿物（方解石、白云石）相对含量随时间变化而逐渐减小,而黏土矿物（高岭石、伊利石、绿泥石、蒙脱石）含量则相对增大,钾长石相对含量有所减少,并且均在相互作用初期变化量较大。由于碳酸盐矿物在碳酸溶液中发生溶解作用,黏土矿物在酸中稳定性较强,离子交换量较低,其中蒙脱石具有膨胀性,绿泥石具有酸敏性,钾长石反应后会产生高岭石和石英,导致反应后各矿物成分含量变化规律不同。马兰煤样中黏土矿物含量较高,沙曲煤样中碳酸盐矿物含量相对较高,导致其矿物成分含量变化规律也不尽相同。对反应溶液中的离子含量进行测试,发现煤样与碳酸溶液相互作用后,溶液中各种离子含量均有增加。在相同条件下,反应溶液ph值越低溶液中的离子变化量越大,矿物质与流体的离子交换量越大;钾离子、钠离子随反应时间的增加逐渐增大,反应溶液类型不影响变化规律,钙离子、镁离子在酸性条件下随反应时间而逐渐增大,在碱性条件下会逐渐变成沉淀物使得溶液中的离子含量降低;三种类型的反应煤样中,沙曲样品矿物质发生离子交换量较大,离子交换量由样品本身的矿物成分以及孔隙裂隙系统决定。通过对煤样矿物成分和反应溶液离子成分的实验数据分析,探讨了co2、h2o和矿物的相互作用原理以及发生化学反应类型。co2在地下水中溶解,使流体呈弱酸,分解出h+和hco3-。弱酸性流体会与煤体中的矿物质发生反应,煤中不同的矿物质在碳酸溶液中表现出不同的反应类型。其中,碳酸盐矿物,包括方解石、白云石,均与碳酸溶液发生溶解反应;钾长石以及绿泥石反应后形成高岭石和石英沉淀;粘土矿物中蒙脱石、伊利石在酸中稳定性较好,易遇水膨胀,侧链从主链上脱落,绿泥石具有强酸敏,酸处理后同铁的化合物作用形成沉淀。通过比表面积及孔径分析仪测试了煤样与碳酸溶液反应前后各孔径的孔体积和比表面积。马兰、沙曲煤样的氮气吸附-脱附曲线无回线或者回线很小,反映出煤样的孔系统主要是由一端封闭的不透气性孔构成,其中包括一端封闭的圆筒形孔、一端封闭的平行板状孔、一端封闭的楔形孔以及一端封闭的锥形孔。马兰煤样反应前bet比表面积为0.432m2/g,bjh总孔体积为0.0022cm3/g,微孔、中孔、宏孔分别占2%、30.4%、68%,对于比表面积,中孔孔隙贡献作用最大,比表面积百分含量为63.7%,微孔和宏孔比表面积百分含量分别为19.7%和17%;沙曲煤样反应前bet比表面积为0.531m2/g,bjh总孔体积为0.0018cm3/g,微孔、中孔、宏孔分别占0.5%、32.4%、67%,中孔的表面积百分含量为66.2%,宏孔的比表面积百分含量为26%,微孔比表面积相对较小,为8.3%。马兰、沙曲煤样酸化前主要为宏孔,经过酸化后,中孔和微孔的数量有所增加。对实验数据进行分析,发现马兰、沙曲煤样的孔体积、比表面积均随反应时间呈现出先增大后减小的变化规律。沙曲煤样的孔体积、比表面积增加量较大,分别比初始量增加了86.4%、593%,而马兰煤样的孔体积、比表面积比初始量增加了5.9%、19%。这主要是由初始物性特征、矿物类型及含量、酸化后的排液控制所影响导致的结果。通过覆压孔渗仪对反应前后的煤样进行渗透率测试,得到渗透率随时间的变化规律,并分析其影响机理。煤层注入co2之后,化学反应在不同反应阶段表现出不同的特征,煤样渗透率随时间的增加而呈现出先增大后减小的趋势,马兰煤样平均7.23个月时渗透率达到最大值,平均值为0.37×10-3μm2,沙曲矿煤样经酸化后,平均7.46个月时渗透率达到最大值,平均值为0.86×10-3μm2,另外,1-3个月为渗透率改善效果较为明显的阶段。由于不同样品的初始渗透率不同化学反应之后渗透率变化规律也不同,发现弱酸溶液对渗透率较低的样品以及渗透率较高的样品改善效果并不理想,对渗透率在0.2-0.5×10-3μm2的范围内改善效果较好。根据孔体积分布函数、泊肃叶定律、达西定律得到煤储层原始渗透率模型,根据煤体孔径分布、矿物含量、矿物在裂隙中充填方式以及矿物在碳酸溶液中溶解度不同,建立煤储层裂隙中充填的矿物溶解后渗透率变化数理模型。结合实验室测试数据,对数值模型进行了验证,得到了注CO₂后,不同充填孔径的渗透率变化以及渗透率随时间的变化规律,通过模型验证结果分析了不同充填孔径、矿物含量、充填方式等参数对渗透率变化的影响。将模型计算结果与实验测得数据对比分析,证明了模型的正确性和合理性。沁水盆地柿庄北区块注CO₂后的SX006井组产出水中钠离子、钾离子、钙离子、镁离子、铁离子含量均逐渐增大,其中,SX006-3井的离子含量增加量较大,但井组产出水的pH值均在7.5以上,因此,认为CO₂可能还未运移到SX006-3井。SX006-3井的平均产气量比注入前大,可见产量的增加受到CO₂注入的影响。