我国沉积盆地深部赋存有丰富的煤层气资源,大约22.5×10¹² m~3资源量位于1000~2000 m的埋深范围。然而,深部煤层气的整体开发形势不容乐观。由于煤储层低孔低渗、应力敏感性强、抗剪切能力差、压裂改造难度大,煤层气井普遍表现为单井产能低下、难以形成工业气流。本论文就“制约深部煤层气高产及高效开发的关键因素”这一科学问题,以鄂尔多斯盆地东缘保德、临兴、柳林、石楼、临汾、韩城等区块的开发煤层为研究对象,以煤变质程度、地应力、储层压力和地层温度为线索,着力剖析深部煤层气储层储气空间发育特征、吸附含气特性、孔渗力学响应和产能动态效果。(1)煤变质程度从根本上控制孔隙系统发育。随着煤变质程度增强,煤岩润湿性呈减弱趋势变化,离心毛管压力曲线形态由平缓变陡峭,孔隙结构的连通性变差,分选性增强,大中孔含量降低,微孔含量增加,分形维数增大,孔隙构成由胞腔孔、角砾孔向气孔、碎粒孔发生主体转变。(2)由于深/浅部地质环境中压力和温度主次影响地位不同,煤层最大含气量在垂向上呈现先增高、后降低的变化趋势。深部高温高压条件下煤层甲烷处于超临界状态,其绝对吸附量大于过剩吸附量。将吸附势理论与超临界参数相结合,求得任意温压下吸附空间与吸附势的特定吸附特征曲线,并构建了极限吸附量数学模型;基于吸附热力学及吸附动力学原理,分析了煤-甲烷吸附体系表面自由能、等量吸附热、吸附活化能对温度和压力的响应变化。(3)地应力通过控制孔裂隙开合程度及煤体结构,使煤储层孔渗性恶化,力学强度增加,抗剪切性变差。储层孔渗物性与力学性质之间存在地质关联,孔隙度和渗透率可根据岩体力学应变求得,孔隙压缩系数随应力的改变可有效抑制孔渗参数随应力增加而大幅度下降。煤岩渗透率与有效应力满足负指数关系,温度效应对渗透率的物理控制过程本质上也是一种热应力作用。(4)深部煤层气开发特征总体表现为单相排水时间长、产气量增长缓慢、产能稳定性差、排采连续性差,气井日均产气量多在千方以下水平。建议煤层气钻井及开发过程中注意规避外源水,合层开采时协调好开发层系间的物性匹配关系,保持“连续、平稳、缓慢”的排采作业方式。