我国煤层气储层普遍存在“渗透率低、解吸能力差”的特点,原位注热既可以促进煤层气解吸,又可以提高储层渗透率,可实现煤层气的高效开发。煤层中裂缝的渗流特性是决定煤层气解吸运移和注热-传热的关键因素,是原位注热强化煤层气开采工程成败的关键。针对这一关键问题,本文以山西晋城无烟煤为研究对象,系统研究循环间歇注入高温过热蒸汽过程中的裂缝渗流特性演化特征,以及含支撑剂裂缝长期注入高温过热水蒸汽过程中的渗流特性演化特征,最终获得了不同注热方式下煤体的升温变形规律和裂缝渗流演化规律,并深入探讨了相应影响机制,得出了以下结论:(1)在电加热方式下,300℃以内,随着温度增加,含单裂缝无烟煤的轴向变形整体呈线性膨胀,静水压力对无烟煤的热变形具有明显的抑制作用。受三轴应力、热膨胀变形不均等因素的影响,在体积应力15 MPa(σ_a=σ_c=5 MPa)时,裂缝渗透率与温度正相关,而在体积应力30 MPa(σ_a=σ_c=10 MPa)时,与温度负相关。(2)在注过热水蒸汽加热方式下,无烟煤试样表面温度随注热时间可分为四个阶段,即快速升温阶段、相变升温阶段、缓慢升温阶段和恒温阶段。煤体的热变形随着温度升高而不断膨胀,温度越高,变形量也相对较大;随着温度趋于换热极限,煤体变形也趋于稳定;降温冷却过程中,试样随温度降低而产生压缩变形。随静水压力增加,煤体的热变形量降低。对比注热前后无烟煤渗透率变化,发现:当裂缝初始渗透率较大时,经过400℃(入口温度为300℃)过热蒸汽作用约12 h后,裂缝渗透率得到一定程度的提高,冷却后,裂缝渗透率受三轴应力压缩影响略微降低,但仍高于注热前的数值;当裂缝初始渗透率较小时,裂缝受热膨胀影响而闭合,裂缝渗透率极低,无法注入过热水蒸汽。(3)根据发现的冷却后无烟煤裂缝渗透率得到一定增强这一特征,针对裂缝初始渗透率较低无法注入问题,提出了循环间歇注热方案,即注入高温过热水蒸汽-冷却至室温-再次注入,如此进行多个循环。发现:注200℃(入口温度为200℃)、300℃(入口温度为250℃)、400℃(入口温度为300℃)过热水蒸汽条件下,无烟煤的裂缝渗透率随循环时间增加持续降低,即使冷却后也无法恢复至初始水平。其主要原因可能是:三轴应力和热应力的限制作用、以及残余水饱和度的水锁损害等作用致使裂缝闭合而导致渗透率无法提高。因此,循环间歇注热不能有效增加裂缝渗透率。(4)针对受裂缝初始渗透率低无法有效提高裂缝渗透率问题,提出加入支撑剂增加初始渗透率的技术思路。研究了含支撑剂裂缝无烟煤在长时间注过热水蒸汽过程中裂缝渗透率的变化规律,发现:在注200℃(入口温度为195℃)、250℃(入口温度为215℃)和300℃(入口温度为235℃)过热蒸汽条件下,加入支撑剂的煤体裂缝渗透率均表现为随着注热时间增加逐渐下降,冷却后无法恢复到初始水平;而在注350℃(入口温度为260℃)和400℃(入口温度为300℃)过热蒸汽条件下,裂缝渗透率随注热时间增加均逐渐增加,增幅达18.93%~23.81%。对比注400℃过热水蒸汽72 h和12 h试验前后裂缝表面特征,发现两者裂缝表面新生微裂隙大量增加,原有微裂隙进一步扩展,张开度增加,且长时注入过热水蒸汽作用下的裂缝表面裂纹数量更多,长度增加,连通程度更好。因此,加入支撑剂改造注热通道,在保证注入口蒸汽温度260℃以上的工况下,能够显著提高煤层气储层的注热效果。