随着我国经济的快速发展,能源结构的调整势在必行,页岩气作为重要的清洁能源,如何提高页岩气的开采产量成为了当下亟待解决的技术难题。页岩气作为非常规油气资源,其储存基质的矿物组成和孔隙结构十分复杂,拥有低孔隙度和低渗透率的特点。在页岩复杂的孔隙网络中,以小于50nm的纳米孔隙为主,构成这些纳米孔隙的基质成分主要为粘土矿物和有机质。页岩气一部分以游离态的形式赋存在页岩的孔隙和裂缝中,绝大部分以吸附态的形式吸附于有机质和粘土矿物构成的纳米孔隙表面,因此研究页岩气在微纳孔隙中的吸附和流动规律,对提高页岩气的开采产量具有重要意义。本文采用分子模拟方法研究了页岩气在粘土矿物纳米孔隙中的吸附和流动规律,讨论了压力、孔隙大小、温度、孔隙表面结构、孔隙含水率和含盐离子等因素对页岩气吸附的影响,以及驱动加速度、孔隙大小和孔隙压力对页岩气在微纳孔隙中流动的影响。研究内容和结果如下:(1)利用蒙塔卡罗方法模拟了甲烷在微纳孔隙内的吸附行为。研究发现,甲烷总吸附量随着压力增大而逐渐上升。在较小孔隙内由于甲烷受到高岭石的吸附叠加作用,孔隙表面甲烷吸附层密度更高。温度的变化对孔隙内吸附层的甲烷密度影响较大,孔隙总吸附量随着温度上升而下降。高岭石孔隙的硅氧结构表面比羟基结构表面对甲烷的吸附作用更强,吸附层甲烷密度更高。孔隙含水率对甲烷的吸附影响非常大,不断增加的水分子会占据孔隙表面的吸附位,使得甲烷的吸附层密度急剧降低。当孔隙中的水含有盐离子时,盐离子对甲烷总吸附量无影响,仅微弱降低了吸附层甲烷的势能。(2)利用分子动力学方法模拟了甲烷在微纳孔隙中的流动。研究发现,甲烷在流动状态下吸附现象仍旧存在,但甲烷的流动影响了吸附层甲烷的吸附稳定性,降低了吸附层甲烷密度,甲烷的滑移速度和甲烷吸附层密度降低幅度呈正相关性。甲烷在高岭石表面是非均匀分布的,高岭石表面存在强吸附位。在所有模拟条件下孔隙表面的甲烷均出现滑移现象,滑移速度分别随着压差和孔隙孔径的增大而增大,随着孔隙内压力的增大而减小。由于孔隙表面吸附层甲烷密度的非均匀性,导致吸附层甲烷沿流动方向的速度分布也是非均匀的。随着孔隙孔径的增大,速度拟合曲线的曲率绝对值逐渐降低,这说明沿垂直与流动方向的速度梯度逐渐降低。在低压情况下,甲烷流速剖面已经不能使用抛物线进行描述,孔隙表面的甲烷流态发生了变化。