煤储层的低压低渗特点决定了煤层气开发时要进行强化增透改造,水力压裂伴注氮气是提高煤储层导流能力的一种重要方法。查明伴注氮气后煤基质的变形、储层渗透率的变化规律及提高采收率的程度,能为伴注氮气压裂提供理论依据。本文选取余吾矿两种粒径的煤样进行了注入N2驱替置换CH4等温吸附和解吸实验,得到两种粒径煤样的吸附/解吸变化特征,即:同等温度条件下粒径小的煤(称为粉煤)的吸附量高于粒径大的煤(称为块煤)。基于表面自由能和吸附理论,建立了煤基质变化数理模型,得出两种粒径煤样煤基质变化特征:随着压力的变化,煤基质吸附膨胀变形和解吸收缩变形呈对数形式变化,粉煤的变形量高于块煤,煤基质膨胀变形与CH4吸附量呈指数形式增加,煤基质收缩变形与混合气体解吸量呈对数形式减少。进行了压汞和低温液氮吸附实验,得出了注氮前后煤孔隙结构变化特征,即:注氮后煤样的总比表面积降低,总孔容升高。基于煤储层几何模型及渗流理论,建立了注氮前后煤储层渗透率数理模型,结合实验数据得出了吸附CH4和注入N2置换过程中煤储层渗透率动态变化特征,即:煤储层吸附CH4过程渗透率减少,注N2后解吸过程渗透率增加,最终渗透率高于原始渗透率。考虑启动压力梯度,分别建立了未注氮和注氮后煤层气垂直井采收率预测模型。工程应用结果表明注氮后煤层气井的采收率可提高0.26%~10%。临界解吸压力、渗透率值对采收率影响较大。随着渗透率或临界解吸压力的升高煤层气垂直井的采收率呈对数形式增加。该论文的研究成果可为伴注氮气提高采收率煤层属性的选择提供理论依据。