论文以含水煤层中注入CO₂后引起的气、水微观动态相互作用为研究切入点,利用建立的基于低场核磁共振煤的润湿性、气-水相对渗透率等分析新技术,系统研究了煤层注入CO₂引起的气体置换效应、煤储层润湿性变化效应和气-水相对渗透率变化规律等,建立了评价CO₂注入置换效率的定量化评价模型,实现了对CO₂注入过程中气、水动态变化的定量评价。主要成果和认识如下:(1)利用自主搭建的实验平台结合低场核磁共振技术,对CO₂置换甲烷过程中煤中吸附态及自由态甲烷变化进行了定量模拟,系统分析了CO₂气体注入对不同煤样中甲烷解吸和置换作用的影响规律,即随注入量增加,CO₂对甲烷的置换效率逐渐减弱;低煤阶煤的置换效率比高煤阶煤明显较差;较低的注入温度、较高的注入压力和减低的煤层初始含水饱和度等都有利于提高置换能力。(2)结合非稳态法,搭建了一套基于低场核磁共振的气、水相对渗透率测量装置,并建立了相对渗透率测量新方法。通过NMR直接计算煤样中水的定量变化从而获得被驱替水量,克服了常规方法难以准确获取驱替水量的难题。利用该方法对系列烟煤和无烟煤样品开展了不同应力下气、水相对渗透率模拟实验。结果表明:烟煤和无烟煤样品的相渗曲线总体呈现出“残余水饱和度高、等渗点含水饱和度高、两相流区窄”等特点;随着有效应力的增大,相对渗透率曲线向低气体饱和度方向移动。(3)建立了一套利用低场核磁共振判断煤润湿性的新方法:利用NMR获得反映煤中不同状态水分布的T₂谱图;根据谱峰的位置和幅度获得了反映润湿性的T₂谱的几何平均值(T_2g)结合常规方法测的润湿角(θ)进行回归分析,建立了T_2g与润湿角的关系式:θ=84.6×T_2g+52.5;利用该式和样品的核磁共振T₂谱来定量评价煤的润湿性。开展了基于低场核磁共振的煤-水-气(CO₂)润湿性变化物理模拟实验,CO₂注入可明显改变煤的润湿性。注入CO₂气体的压力越大、温度越低,对煤样的润湿性改变越大;煤的吸附作用、气/液/固三相界面张力和CO₂的水溶解三个要素决定了润湿性的改变。(4)基于低场核磁共振技术,物理模拟了煤层中注入CO₂置换煤中水的作用过程。研究发现CO₂注入对煤中的吸附态水具有明显的置换作用,并建立了CO₂气体注入对水的置换量的计算模型:(?)。CO₂的注入置换效率与煤的气体吸附能力以及煤样的煤岩、煤质和孔隙结构等有关。