本论文以沁水盆地南部柿庄北区块山西组3#煤层为主要研究对象,通过资料调研、野外踏勘、系统采样、室内实验分析研究等工作,对目标层段煤层进行煤岩煤质分析、煤储层孔裂隙结构分析、等温吸附解吸实验等,对目标层段地层进行层序对比与沉积相特征分析等,并通过软件模拟CO₂及混合气体注入煤层提高煤层气采收率的效果,对煤层气开发有指导意义。本文所采集的煤样为长平煤矿(CP)、赵庄煤矿(ZZ)和师庄煤矿(SZ)的山西组3#煤。煤样均为原生结构煤,工业分析发现所采煤样为低灰煤,固定碳含量均超过了75%。显微组分测试结果表明,有机质类型为Ⅲ型干酪根,具有较强的生气能力,样品的镜质组含量均超过了65%,是提高煤层气采收率和CO₂的封存的天然场所。压汞实验发现CP、SZ煤样孔隙连通性和渗透性比较好,ZZ煤样连通性较差。山西组地层厚度33-72m,一般46m左右。山西组下部地层主要包括细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩和煤层,上部地层主要包括泥岩、砂泥岩、泥质粉砂岩和煤层。沉积相主要以三角洲沉积体系中的下三角洲平原为主,主要发育的沉积微相为分流间湾、分流河道和泥炭沼泽等,垂向上是分流河道、分流间湾交互出现。通过对三种煤样的单组分气体吸附—解吸数据进行分析,煤样对CH4、N₂、CO₂的吸附顺序是CO₂>CH4>N₂,并得到煤样对不同气体的VL、VP值。通过二元混合气体(75%CO₂+25%CH4、50%CO₂+50%CH4、25%CO₂+75%CH4)的等温吸附解吸实验,并在平衡压力点处抽取气体进行气相色谱实验分析,结果表明在第一个吸附压力点,吸附能力强的CO₂率先被大量吸附,游离气中的CO₂快速减少并首先趋于吸附饱和,吸附速度变慢,随着压力的升高,游离气中的CO₂气体浓度逐渐增高并趋于稳定;而CH4在游离气中的比例先是增高,随着吸附压力的升高而降低,之后保持稳定。解吸过程随着解吸压力的降低,CH4整体是升高—降低的过程,CO₂是降低—升高的过程。利用Simed Win软件进行注气前的驱替提高煤层气采收率模拟,通过对不同网格分布、井位、井组、不同比例的混合气进行模拟发现,注气驱替可以提高煤层气采收率,不同网格分布及井组设置下,双井模拟提采效果高于单井注采,但单井注采生产周期长。在井位发生改变时,随着井间距离的增加,产气量下降,但并不是井间距越小产气效果越好。N₂的驱替效果高于CO₂,但是从经济效益和环境效益考虑,在三组实验气体中75%CO₂+25%N₂混合气是ECBM的最佳选择。