我国煤层气资源储量丰富、分布区域相对集中,其开发利用对解决能源供应不足,降低煤矿开采安全事故,减少温室气体排放,缓解生态环境恶化具有重要意义,因此合理规划煤层气井布局,提高煤层气的产能,成为目前煤层气开发中急需解决的问题。本文通过煤样的单轴压缩实验、CT扫描实验及渗透特性实验,得到了煤样力学性能参数、孔裂隙结构特征和渗透率的变化规律,进而通过理论分析分别建立了煤层气生产过程中的气-固两相耦合模型和气-液-固三相耦合模型,并通过数值模拟分析了不同因素对煤层气产能的影响规律,为煤层气开采的深入研究具有一定的参考价值。具体研究工作及得到的主要结论如下:(1)开展了裂隙煤样的孔隙结构特征实验。通过煤样的单轴压缩实验测得试样的弹性模量和泊松比并得到含裂隙煤样。进行裂隙煤样的CT扫描实验,得到了裂隙煤样断层扫描图像。裂隙与高密度杂质的分布不均匀,主干裂隙与分支裂隙共同构成了试样内的三维裂隙网络,且试样断层的孔隙率在6~8.5%之间。(2)开展了裂隙煤样的渗透率反演模拟。首先通过自主开发的MATLAB程序将断层图像还原为试样形式,并记录试样孔裂隙结构特征数据;然后将得到的数据导入COMSOL Multiphysics软件中,反演计算出煤样的渗透率。试样的宏观渗透率是试样中微元体的综合体现。试样的孔隙率越大,则相应的渗透率越大。试样中最大渗透率到104mD,最小渗透率为10mD。同时,孔隙的分布情况也影响着整体渗透率的大小。在渗流过程中,基质与孔裂隙间存在大量且频繁的介质交换。(3)设计了标准试样的渗透率测试系统,并开展了裂隙煤样的渗透率测定实验。各试样的渗透率分布在100mD~1000mD之间,这与反演得到的试样整体渗透率十分接近,在同一量级。由于试样内裂隙与节理分布情况的不同,导致了各试样的实验渗透率与计算结果略有不同。试样的渗透率随着围压的增大而逐渐降低;随着孔隙压力的增大而逐渐增加。相较于围压对渗透率的影响,孔隙压力对渗透率的影响较小。测试结果显示渗透率对围压的响应变化率是孔隙压力的1.3~1.4倍。(4)建立了气-固耦合的煤层气流动模型。在考虑孔隙体积模量以及压缩系数变化的基础上,建立了孔隙率-有效应力和渗透率-有效应力动态模型;进而分析了在煤层气开采过程中,孔隙压力引起的有效应力变化和基质收缩引起的解吸应变对渗透率的影响,并成功预测了单轴应力状态下煤层渗透率的变化规律。同时将本文提出的渗透率模型与已有模型进行对比分析,结果表明将文中模型应用于模拟煤层气井生产过程是可行和准确的。(5)讨论了不同控制因素对煤层气井产气效率的影响。利用COMSOL Multiphysics数值计算了气-固耦合模型,得到了孔隙压力、渗透率在时间上和空间上的变化规律,并分析了固体变形、吸附变形、弹性模量、泊松比、渗透率、孔隙率、含气量、储层压力、井口压力等一系列参数变化对煤层气产气率、累计产气量和渗透率的影响规律。(6)建立了气-液-固三相煤层气流动耦合模型。首先通过Tezaghi一维固结问题,验证了COMSOL Multiphysics在求解流固耦合问题上的合理性和准确性。其次,将模拟结果与现场实测数据进行对比分析,结果显示两者匹配度较好,同时模拟结果表明孔隙压力变化造成的有效应力的改变以及煤层气解吸引起的基质收缩应变对煤层气产能预测都具有重大的影响。最后通过参数敏感性分析得到储层压力的大小对煤层气的开采而言不容忽视,较大的弹性模量和较小泊松比的煤储层具有较高的渗透率和产气率,更有利于煤层气的开采。