CO₂地质储存被认为是缓解目前碳排放压力的有效途径之一,将CO₂注入深部不可采煤层中可实现提高煤层气采收率和CO₂储存的双重作用。深部煤层的温度压力环境使得注入的CO₂很容易达到超临界态,由于超临界CO₂能萃取煤体中的部分有机质,还能与煤体中的水分形成碳酸溶解部分矿物质元素,使得超临界CO₂注入过程中煤体发生细观结构变化和变形。同时,我国煤炭种类繁多,不同变质程度煤体的渗透性有较大的差异,煤体渗透性和变形又会进一步影响超临界CO₂储存和驱替煤层CH₄的效果,因此,有必要进行超临界CO₂在不同阶煤层中的渗流规律及煤体变形特征研究。本文在五种不同变质程度煤体(弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤)中进行了超临界CO₂萃取、CO₂渗透和驱替煤层CH₄实验,对超临界CO₂注入前后煤体的力学特性和细观结构变化、相态和煤阶对CO₂渗流规律与煤体变形的影响以及超临界CO₂在五种煤体中的储存和驱替效果进行研究,主要研究成果如下:1.超临界CO₂对煤体细观结构及力学特性的影响对弱粘煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤进行0²0天的超临界CO₂处理,通过CT扫描、单轴抗压强度和渗透率测试的方法研究超临界CO₂作用不同时间后,不同煤阶煤体细观结构和力学特性的变化,并在原位温度和压力条件下,利用渗透率测试仪、工业分析仪、气质联用仪、物理吸附仪(液氮)和红外光谱仪对超临界CO₂作用后弱粘煤的物理、化学、细观结构和力学特性变化进行了研究,实验结果如下:(1)超临界CO₂作用后煤体单轴抗压强度和弹性模量降低,且煤体变质程度对力学特性变化有明显影响。在超临界CO₂通入前5天,超临界CO₂对煤体力学特性影响随变质程度增加而增大,弱粘煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤单轴抗压强度降低幅度分别为16.13%、17.77%、43.62%及60.70%,弹性模量分别降低17%、32.14%、50.91%及58.79%;在超临界CO₂通入5²0天后,低变质程度煤力学特性仍有明显变化,但高变质程度煤变化较为微弱。(2)超临界CO₂能萃取煤体中的脂肪烃和芳香烃,且萃取物的浓度随超临界CO₂的注入时间增加而降低;超临界CO₂与煤体中的水分形成酸性溶液,导致弱粘煤中部分粘土和碳酸盐矿物溶解。有机物的萃取和矿物的溶解在产生新孔隙的同时也导致部分大分子矿物或有机物阻塞在孔喉或裂隙通道中,在CO₂吸附引起的膨胀和外部应力束缚的共同作用下,部分孔隙被压缩或闭合,弱粘煤的BJH孔体积减小了12%左右。(3)超临界CO₂对煤体的细观结构和渗透特性有明显的影响。在无外部应力作用条件下,超临界CO₂注入后,煤体中部分有机物溶蚀、碳酸盐类矿物质发生溶解、部分原有裂隙延展或产生新的裂隙,煤体渗透性增强;在与外部应力耦合的条件下,CO₂吸附、矿物溶解、有机物萃取和力学特性变化的共同作用导致煤体体积应变增大,渗透率降低。2.相态和煤阶对CO₂渗流规律和煤体变形特征的影响通过在弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤中进行不同体积应力(静水压力20⁵0MPa)和不同注入压力(10²5MPa)条件下的超临界CO₂渗透实验,揭示了超临界CO₂在不同煤阶的深部煤层中渗流规律及煤体变形特征。同时,考虑超临界CO₂运移过程中由于孔隙压力降低导致CO₂相态发生改变,研究了超临界态、气态和混合态CO₂在煤体中的渗流规律及煤体变形特征,实验结果如下:(1)在相同的有效应力下,煤体渗透率随变质程度升高而逐渐降低,且不同变质程度的煤体渗透率均与有效应力均呈负指数关系。在同为20MPa围压、15MPa注入压力条件下,弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤渗透率分别为9.98×10^-3md、7.34×10^-3md、2.03×10^-3md、1.84×10^-3md和0.27×10^-3md。(2)在50℃、20⁵0MPa静水应力条件下,不同变质程度煤体中超临界CO₂随注入压力增加表现出不同的变化规律。对于弱粘煤、1/3焦煤和无烟煤,在恒定的围压条件下,渗透率随注入压力升高呈现出先降低后升高的变化趋势,当围压超过40MPa后,1/3焦煤和无烟煤渗透率随注入压力升高而降低;对于气煤和贫瘦煤,在恒定的围压条件下,渗透率随注入压力升高而增加,当围压超过40MPa后,气煤渗透率在10¹2.5MPa注入压力时出现降低,之后随注入压力升高而逐渐增大。(3)气态、混合态和超临界CO₂在煤体中的运移遵循达西定律,且在相同的有效应力条件下,气态CO₂渗透率>混合态CO₂渗透率>超临界CO₂渗透率。3.煤阶对超临界CO₂储存及驱替煤层CH₄效果的影响在50℃、围压为25MPa(静水压力)的温压条件下,分别对弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤进行注入压力为10MPa的超临界CO₂驱替煤层CH₄实验,揭示了煤阶对CO₂储存及驱替效果的影响,并根据不同阶煤体的孔径结构和渗透性分析了驱替效果的差异,实验结果如下:(1)五种煤体微孔发育程度随变质程度呈“U”变化,弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤的微孔比表面积分别为154.0669m²/g、71.2359m²/g、41.4201m²/g、134.1616m²/g和259.6510m²/g。(2)由于煤体渗透率随变质程度升高而逐渐降低,五种煤阶煤体的CO₂注入量也随变质程度升高而降低。在12h驱替时间内,弱粘煤、气煤、1/3焦煤、贫瘦煤和无烟煤中的CO₂注入量分别为406.18L、144.38L、112.17L、62.79L和17.42L。(3)超临界CO₂驱替煤层CH₄过程中,驱替效果与煤体变质程度、渗透率和孔隙类型密切相关,五种煤体的驱替效果为气煤>1/3焦煤>弱粘煤>贫瘦煤>无烟煤。