我国煤层气资源丰富,但煤储层原始渗透性差,制约了煤层气的产量和采收率。煤储层具有低储层压力、低渗透率、低含气饱和度、高地应力的特点,必须对煤储层进行水力压裂增产改造,创建连通的水力裂缝网络以提高储层渗透率,从而提高煤层气井的产量。煤层气水力压裂施工过程中,由于压裂液破胶不彻底,返排过程中压裂液残渣容易滞留在水力裂缝支撑剂充填层中,降低了支撑剂充填层的孔隙度,对水力裂缝的渗透率造成伤害;排采过程中孔隙流体压力降低,有效应力逐渐增大,支撑剂嵌入到裂缝表面显著降低裂缝的渗透率;此外,裂缝延伸扩展和支撑剂嵌入产生的煤粉,随着压裂液的流动也会堵塞裂缝网络和支撑剂充填层的孔隙。压裂液残渣滞留、支撑剂嵌入、煤粉堵塞、煤分子表面吸附等因素对水力裂缝渗透率的影响机理尚不明确,有必要针对这一问题进行系统、深入的研究。因此,本论文选取煤层气水力压裂常用的羟丙基瓜尔胶作为实验样品,加工制备了含有轴向裂缝的煤样模拟储层中的水力裂缝。使用非常规天然气储层伤害评价设备进行了一系列的渗透率伤害实验,建立了支撑剂嵌入作用下裂缝充填层渗透率演化模型,使用分子模拟软件模拟煤分子表面对瓜胶分子的吸附,研究了羟丙基瓜尔胶压裂液返排过程中对裂缝渗透率伤害的影响规律,揭示了压裂液对裂缝渗透率的伤害机理,为煤层气水力压裂施工技术改进提供了理论指导。本文的主要研究结论如下:(1)对煤样进行了工业分析、元素分析、傅里叶红外光谱、碳13核磁共振等相关测试,通过工业分析和元素分析测试结果确定了三种原煤样品属于特低灰、特低硫、中高挥发分烟煤。分析红外光谱和碳13核磁共振谱图可知,煤样A的煤化程度最高,煤样C的煤化程度最低,选用煤样A的核磁共振谱图进行分子模拟研究,为后文构建三维煤分子化学结构、模拟煤分子表面对瓜胶分子的吸附提供理论依据。(2)选取支撑剂类型、支撑剂目数、支撑剂铺砂浓度、KCL盐水冲洗流速等因素作为实验变量,使用非常规天然气储层伤害评价设备进行了不同变量条件下羟丙基瓜尔胶压裂液对裂缝渗透率的伤害实验。研究了羟丙基瓜尔胶压裂液返排过程中对煤样裂缝渗透率的伤害,得到了煤样裂缝渗透率损害率的变化规律。由于破胶不彻底,高浓度的压裂液在返排过程中滞留的残渣降低了支撑剂充填层的孔隙度,严重伤害了水力裂缝渗透率。支撑剂的目数越大,瓜胶压裂液对裂缝渗透率的伤害越严重,并且压裂液浓度越高,这种规律越明显。(3)相同条件下,陶粒支撑剂的支撑效果优于石英砂支撑剂,KCL盐水冲洗前后,压裂液对石英砂支撑的煤样裂缝渗透率造成的伤害均高于陶粒支撑的煤样裂缝。渗透率损害率结果表明,支撑剂单层铺设时,压裂液对煤样裂缝渗透率的伤害明显高于支撑剂多层铺设。KCL盐水冲洗过程中,不同铺砂浓度的裂缝支撑剂充填层具有不同的渗透率恢复规律,支撑剂单层铺设的煤样裂缝渗透率损害率显著高于多层铺设的裂缝。随着煤样所受围压的增大,支撑剂单层铺设相对于支撑剂多层铺设更容易发生支撑剂嵌入裂缝的现象,导致支撑剂单层铺设时裂缝渗透率损害率更高。(4)通过分析支撑剂与裂缝表面之间的力学关系,基于支撑剂充填层孔隙度的变化,建立了考虑支撑剂压实和嵌入的裂缝支撑剂充填层渗透率模型,根据构建的渗透率模型量化研究了支撑剂目数、煤样粘聚力和有效支撑系数对支撑剂充填层渗透率的影响规律。模型计算结果表明:有效应力相同时,支撑剂的粒径越大,支撑剂嵌入深度也越大,对充填层渗透率的伤害也越大;具有高粘聚力的煤受有效应力的影响较小,随着粘聚力的增大,支撑剂嵌入难度加大;随着有效支撑系数的增大,支撑剂充填层渗透率的变化量逐渐减小。(5)借助Materials Studio分子模拟软件,进行了一系列的煤分子表面吸附瓜胶分子的数值模拟研究。在微观尺度下,瓜胶分子在吸附模型中以单分子形态、聚合物形态和吸附形态存在,研究了煤分子表面对瓜胶分子的吸附,分别模拟了瓜胶分子数目、温度和水分子对煤分子表面吸附瓜胶分子的影响,得到了煤分子表面与瓜胶分子之间的吸附规律。瓜胶分子吸附热越高,吸附体系总能量越大,表明瓜胶分子在煤分子表面吸附状态越稳定。(6)系统分析了压裂液残渣滞留、支撑剂嵌入、煤粉堵塞对水力裂缝渗透率的影响机理。由于分子间的吸附作用,压裂液残渣易吸附在煤和支撑剂的表面,压裂液残渣和煤粉伤害裂缝渗透率的主要途径是堵塞支撑剂之间的孔隙和狭窄的裂隙通道。支撑剂嵌入降低了水力裂缝的开度,对裂缝渗透率造成不可逆的伤害。根据煤储层地质条件,优化煤层气压裂液配方,加快破胶时间以减少压裂液残渣滞留,同时制定科学的排采制度,减少煤粉的产生,减弱支撑剂嵌入水力裂缝的程度,改善煤层气渗流通道,提高压裂改造效果和煤层气产量。