本文以彬长矿区4号煤层作为研究对象,主要通过室内模拟驱替煤层气实验和现场试验,获取最优注气方案,为形成一套高效经济的煤层气开发方案提供参考依据。通过CT扫描仪研究煤样注入CO₂后的物性变形特征,发现随着注入压力的升高,灰度均值不断增大,而孔隙度则不断下降,在压力增大的过程中,煤样整体发生膨胀变形,这是由于CO₂吸附于煤岩裂缝表面会导致煤样发生膨胀变形,裂缝被挤压变窄导致孔隙度变小。通过气测渗透率实验研究煤样分别注入N₂和CO₂后的渗透率变化发现,注N₂时渗透率显著升高,最高达到5.57mD,之后随注入压力升高而降低,但仍高于原始渗透率2.1mD,而注CO₂时渗透率明显下降,从两种气体的驱替机理进行分析,注CO₂发生竞争吸附导致煤岩发生膨胀变形,而N₂通过降分压将吸附态CH₄变为游离态进行驱替,增渗效果明显。创新性地运用核磁共振仪模拟N₂、CO₂和混合气体（N₂:CO₂=1:1）分别注入煤样后的驱替效率、驱替比的变化情况。发现在1.5MPa至5.5MPa注入压力范围内,无论连续注气或者焖井注气方式的驱替效率均为CO₂>混合气>N₂,但在连续注气3.5MPa时N₂的驱替效率最接近CO₂的驱替效率,达到80.52%,与同条件下CO₂的驱替效率仅相差5.01%。焖井注气N₂驱替效率不如连续注气。从驱替比分析发现当3.5MPa时,驱替相同体积的CH₄所需要的N₂体积仅为CO₂的34%。因此认为N₂注气驱替煤层气是可行的,且最佳注气压力应为3.5MPa。运用技术成熟的填砂管装置模拟驱替煤层气实验验证了前者实验的可行性,两者所测得的驱替效率变化趋势一致。同时通过对比不同气体驱替CH₄后残留在填砂管中的吸附量发现N₂驱替CH₄后吸附量随着注入压力的增大而缓慢变化,CO₂残留吸附量随着注入压力增大快速增大,后者吸附量为前者2.2倍。验证了N₂更有利于煤层气的开发。根据室内实验所得数据,在现场DFS-135单井上进行注N₂驱替煤层气实验,现场取得了较好的效果。