随着石油储量的减少和环境问题的严重，非常规油气资源日益受到关注和重视。页岩气以其分布范围广、资源储量大、稳产周期长等特点，成为当前油气勘探开发的热点。页岩气的开发涉及到多尺度多学科交叉，其中岩石纳米孔隙中页岩气的吸附、解吸附和注气驱替的微力学机理尚不明确。我们利用分子动力学方法模拟研究了这些微观机制。由于甲烷分子与壁面的相互作用，纳米孔隙的存储容量高于相同体积的自由态。随着孔隙宽度的增加，吸附态甲烷的结构从单个吸附层转变为四个吸附层。此外，还模拟研究了不同孔隙的等温吸附线，我们发现在低压下小的孔隙反而能存储更多的甲烷分子。解吸附是页岩气开采中的一个关键问题，工程和实验上通常可以观察到解吸附滞后现象。目前解释此现象的机制主要有两种：毛细凝聚或孔喉变化。模拟发现毛细凝聚引起的解吸附滞后主要发生在甲烷的临界温度以下，在高温高压的地层工况下，这种现象消失。进一步研究发现，甲烷的吸附会导致岩石的溶胀继而引起孔喉的收缩。当解吸附时，吸附的甲烷通过缩小的孔喉，需要更高的能量。因此在相同压力下，解吸附过程中孔隙存储的甲烷要多于吸附过程中，从而造成滞后。为了驱替吸附的甲烷并提高开采效率，工程上通常采用注入气体(二氧化碳或氮气)的方法。我们模拟比较了这两种气体的驱替机制：二氧化碳可以直接替换出吸附的甲烷；氮气通过降低甲烷的分压使甲烷解吸附。在相同工况下，注入二氧化碳突破时间慢，驱替急剧而注入氮气突破时间快，驱替平缓。这些工作对揭示页岩气吸附、解吸附和驱替机制以及指导页岩气的勘探开发具有重要意义。