低透气煤层孔裂隙发育不足,煤层气赋存状态复杂。传统抽采技术面临解吸效率低、工程适应性差等瓶颈,CO₂强化煤层气开采(CO₂-ECBM)通过竞争吸附效应可显著提升煤层气采收率,不仅能减少瓦斯事故的发生,还能实现CO₂地质封存,是保障能源安全与减少温室气体排放的关键举措。然而在原位静态和动态地应力条件下,驱替参数的优化以及孔裂隙结构的动态演化对于煤层气驱替效率的影响机制尚未明晰。基于此,本文以亭南煤矿(高瓦斯矿井)2412工作面低透气煤层为研究对象,采用室内实验与数值模拟相结合的方法,揭示了甲烷压力-地应力耦合作用下煤体孔裂隙结构动态演化特征,阐明了在原位静态地应力条件下,不同CO₂注气压力、温度对于CO₂驱替过程中多相态甲烷分布特征和气体运移规律的影响,以及原位动态地应力诱发煤体孔裂隙结构动态演化对驱替效率的作用机制。通过构建多物理场耦合数值模型,实现了CO₂强化煤层气开采(CO₂-ECBM)增产效果的系统模拟。主要研究成果如下: (1)进行了不同甲烷压力下煤样常规三轴加载实验,分析了煤样孔裂隙结构动态演化特征。实验结果表明:当甲烷压力从1 MPa增至6.5 MPa时,峰值强度下降了26%,表明高CH₄压力导致煤样的抗压能力下降,表面裂纹增加,扩展方向变得更加复杂和曲折。在孔隙结构网络中吸附孔平均孔隙占比为94.74%,占据主导地位。在加载下高CH₄压力促进了更多吸附孔的生成,而渗流孔与运移孔在破裂阶段新孔隙的产生更为显著。低甲烷压力在初始阶段煤样可压缩性较高,高甲烷压力可压缩性显著降低。整体压缩系数变化与吸附孔一致,说明煤体应力敏感性和结构稳定性主要由吸附孔主导。高甲烷压力增强了孔隙连通性,使各孔隙分形维数呈现“动态波动-突变”双阶段特征,其中吸附孔变化最为显著。 (2)进行了原位静态地应力条件下CO₂吸附置换CH₄实验,分析了不同CO₂注气压力、温度对于CO₂驱替过程中多相态甲烷分布特征和气体运移规律的影响,实验结果表明:增加CO₂注气压力,吸附态甲烷吸附占比从89.1%下降到51.9%;升高温度,吸附态甲烷占比总计增加了32.7%,增加CO₂注气压力和降低温度会增强CO₂置换甲烷的能力。 (3)进行了原位动态地应力影响下CO₂驱替CH₄实验,实验结果表明:在轴压0~24 MPa下,吸附孔占比由90%降至86%,运移孔占比由9%升至12.5%,轴压加载驱动煤体孔隙系统由吸附孔主导型向运移孔主导型转变。塑性阶段:D_m显著减小,裂隙网络贯通,运移孔孔隙强度变弱发生扩张,大尺度裂隙贯通使驱替效率(R_e)达0.075 cm³/min,较弹性阶段提升108%。核磁成像表明,初始阶段甲烷呈“孤岛”状分布,塑性阶段煤样残余饱和度最低(C_A=0.713 cm³),较初始阶段(C_A=2.198 cm³)降低了67%。吸附孔分形维数和渗流孔分形维数与运移孔分形维数的差异表明,大尺度裂隙主导气体运移,而微小孔隙仍制约甲烷解吸。 (4)构建了大尺度模型,基于应力场-渗流场-温度场耦合方法,研究不同CO₂注气压力和初始煤层温度对CO₂-ECBM过程的影响,模拟结果表明:储层中CO₂注气井与CH₄生产井间的压力梯度构成了气体运移的驱动力,增加CO₂注气压力对提升CH₄的累积产量和CO₂的累积存储量具有积极作用。在生产井附近,储层压力梯度成为影响渗透率的主导因素;在注气井附近,气体的竞争吸附成为影响渗透率的主导因素。初始煤层温度升高,吸附态CH₄浓度升高,吸附态CO₂浓度降低,渗透率随温度升高而降低,CH₄累积产量和CO₂累积存储量降低,所以初始煤层温度的升高对于CO₂-ECBM过程有负面影响,但影响较小。 研究结果为煤层气安全高效抽采和CO₂-ECBM有效性理论提供了数据支撑。 图[63]表[6]参[103]