随着天然气资源需求的快速增长,以甲烷为主要成分的煤层气被认为是天然气供应的潜在解决方案。我国煤矿具有地质条件复杂且煤层透气性极低的特点,低压下,利用常规的排水降压方法很难将吸附在煤基质中的甲烷解吸出来,甲烷采收率较低。为了解决这个问题,学者们提出了许多方法来提高煤层气采收率,其中CO₂强化煤层气开采(CO₂-ECBM)不仅可以提高煤层气采收率,在环境保护方面,还可以通过将CO₂封存在不可采煤层中,减小温室效应,推动碳中和。本次研究开展了CH₄/CO₂混合气体等温吸附试验、不同应力环境下CH₄、CO₂在原煤中的渗流试验、CO₂压裂原煤增透试验,揭示CO₂强化煤层气高效开采的机理。取得的主要研究成果如下:(1)利用三组分静态高压吸附系统开展了30℃条件下CH₄、CO₂以及不同比例CH₄/CO₂混合气体等温吸附试验,揭示了煤竞争吸附CH₄、CO₂特性,对比分析了扩展的Langmuir模型和BET多组分气体吸附模型对CH₄/CO₂混合气体吸附量的拟合效果,得出BET多组分气体吸附模型较适合描述煤吸附CH₄/CO₂混合气体特性。(2)利用自主研发的CO₂压裂煤岩试验系统进行了不同应力环境下吸附性不同的气体(CH₄、CO₂)在煤岩中的渗流试验,得出煤岩吸附气体导致的吸附膨胀应变会降低煤岩渗透率,同时,应力环境的变化也会改变气体在煤岩中的渗流规律。在低应力环境下,渗透率随气体压力呈V字型变化,高应力环境下,渗透率随气体压力增加呈负指数函数变化。(3)采用简化的起裂压力模型,预测了CO₂压裂煤岩的理论起裂压力,得出起裂压力随储层埋深增加而增大。通过CT扫描CO₂压裂前后样品内部裂隙扩展情况,结合CO₂压裂煤岩声发射信号,得出裂纹沿着煤岩原生裂隙方向扩展,裂隙起裂和样品破裂阶段,声发射信号十分明显。压裂后煤岩的渗透率提高了1.78~10.29倍。