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我国煤层气储量丰富,普遍渗透性差的特性导致了煤层气抽采率低、商业性开发困难。利用超临界CO2提高低渗透煤层渗透性的方法,已通过前期实验证实具有良好的效果,但煤体在超临界CO2作用下产生的吸附膨胀变形对储层渗透性的提高存在不利影响。采用试验测试、理论分析和数值模拟相结合的方法,开展超临界CO2作用下煤体吸附膨胀变形规律研究,主要研究工作及成果如下:(1)为克服超临界CO2作用下煤体膨胀变形采用应变片进行点测量时,测量范围小、试验结果离散性大、应变片易脱离破损等不足,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温压状态的超临界CO2作用下受恒载煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定变形所需时间随孔隙压力升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO2作用下,煤体体积应变随温度和压力均呈“S型”Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温压的变化率均具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区>跨临界区>高临界区。(2)为解决传统吸附理论采用绝对吸附量为基础建立的理论模型在超临界状态下不再适用的问题,根据ESD状态方程及简化局部密度模型确定超临界CO2作用下煤体的过剩吸附量,基于热力学理论和吸附体系的内能关系得出煤体吸附超临界CO2产生的膨胀体积应变,同时考虑温度及孔隙压力作用下煤体的体积应变,建立超临界CO2作用下煤体膨胀变形本构模型。编程计算得出不同温压条件下理论模型的数值解,并与试验结果进行对比分析,证实理论模型计算数据与试验数据吻合度较高。(3)利用ABAQUS软件对不同压力状态的超临界C02作用下煤体膨胀变形进行数值模拟,得出煤体体积应变在温度等影响因素不变的情况下,随压力呈“S型”Logistic函数规律变化。对比分析了超临界CO2作用下煤体膨胀体积应变的试验测试数据、理论模型计算值和模拟计算结果,体积应变计算结果与实测值一致。(4)基于建立的膨胀变形模型,分析了低渗透煤层在超临界CO2注入过程中膨胀变形及渗透率的变化规律:等温条件下,超临界CO2影响区的膨胀体积应变随注入压力的增加呈“S型”Logistic函数规律变化,随注入压力的增加吸附变形增大煤层渗透率逐渐减少。分析了不同孔距条件的超临界CO2作用下煤层吸附膨胀对渗透率变化的影响规律,在煤层注入超临界CO2过程中需合理选择孔间距,避免孔间叠加效果对渗透率造成的损失。