清洁能源的开发利用在全球能源需求日益增长的情况下变得更加重要。煤层气储量丰富,作为清洁能源开发潜力巨大。同时,高效开发煤层气可以释放储层内气体压力,减小煤矿瓦斯灾害事故发生的可能性。本文以煤岩各向异性渗流演化机制为研究主题,采用渗流理论为研究手段,通过试验与理论相结合,利用团队研发的渗流测试系统开展了煤岩储层不同方向上的渗流试验,建立了考虑含水率、气体压力和应力多因素协同作用的各向异性渗透率模型。同时,分析了煤岩储层微观孔裂隙结构特征及其对流体赋存规律的影响,揭示了孔裂隙结构与煤岩渗透率之间的响应机制。主要研究内容如下: (1)设计开发了一套煤岩渗透率测试系统,针对不同致密度岩石该系统可以在测量过程中稳态法测量和脉冲衰减法测量的切换,提高测试精度和效率。该测试系统主要由气体压力控制系统、三轴力学加载系统、温度控制系统、数据采集系统和辅助设备系统组成。可以进行不同边界条件(单轴应变条件、恒定外应力和三轴应力条件)、不同温度环境、不同含水率下的渗透率测量。 (2)基于(1)中建立的煤岩渗透率测试系统,利用储层不同方向上的煤岩在恒定围压条件下进行变气压渗流试验,探究煤岩结构各向异性对渗流特性的影响规律。此外,结合扫描电镜观测、低温氮气吸附、高压压汞及核磁共振等多尺度表征技术,对煤岩储层中复杂的孔裂隙结构如何影响煤层气的赋存状态开展探究,为建立孔隙结构与渗透性能的定量关系提供实验支撑。 (3)基于Langmuir等温吸附方程,建立吸附和应力作用下煤岩裂隙宽度表达式,探究含水率和气体压力对煤岩吸附变形的影响。同时,为探究瓦斯开发过程中煤岩渗流规律,基于立方定律构建考虑含水率、气体压力和应力多因素协同作用的各向异性渗透率模型,并利用试验数据验证其合理性,剖析吸附、水分和应力边界条件等因素对煤岩渗透率的影响过程,揭示煤层瓦斯开发过程中多因素协同作用下煤岩渗透率演化规律。