页岩气是一种重要的非常规天然气资源,其成功开发对于保障能源安全具有重要战略意义。在页岩气开发领域,尚存在许多科学问题和技术难题,其中天然气在页岩储层纳米孔隙中的赋存状态和扩散规律是体现页岩气特点,控制页岩气生产的关键问题。目前对于页岩气赋存状态和扩散规律多采用传统实验方法和吸附扩散理论进行研究,对于描述纳米孔隙的微尺度效应存在一定的局限性,且对于微观机理的解释能力有限。引入新的微观或介观尺度研究方法成为该领域重要的发展趋势和方向。为此,本文利用分子模拟方法研究了甲烷在页岩储层纳米孔隙中的赋存状态和扩散规律。根据页岩储层特征,选取在页岩气赋存及扩散过程中起重要作用的有机碳成分,以及在页岩储层矿物组成中占据较大比例的石英和伊利石作为孔隙骨架材料,分别建立不同孔径和不同形状的纳米孔隙模型,并结合甲烷联合原子模型及相应势能模型,建立分子模拟模型。在此基础上,通过巨正则系综Monte Carlo方法获取了页岩气藏温度压力下甲烷在纳米孔隙中的分布构型,并进一步利用正则系综分子动力学方法研究了甲烷的扩散规律。研究结果表明,在页岩气藏典型温度压力条件下,吸附态与游离态甲烷的相对比例和性质变化的差异,是造成不同孔隙含气性不同的根本原因。相同条件下,孔径较小的孔隙中吸附态甲烷比例高于孔径较大的孔隙中吸附态甲烷比例,管状孔隙中吸附态甲烷比例高于层状孔隙中吸附态甲烷比例,有机碳孔隙中吸附态甲烷平均密度高于石英孔隙和伊利石孔隙中吸附态甲烷平均密度。吸附态甲烷密度和游离态甲烷密度随压力变化的趋势不同,造成不同孔隙的含气性差异在压力较低时较为明显。随着压力的升高,纳米孔隙内有出现双层吸附的趋势。在页岩气藏温度压力变化范围内,压力变化比温度变化对扩散系数的影响更为显著。压力较低时,甲烷分子扩散受到壁面作用势影响更为明显；压力较高时,甲烷分子扩散受其他甲烷分子作用势的影响更为显著。平行于孔隙壁面方向是扩散的主方向,该方向上的扩散系数对压力变化更为敏感。相同条件下,甲烷扩散系数随着孔径的增加而增加,层状孔隙中甲烷扩散系数大于管状孔隙中甲烷扩散系数,压力较低时石英孔隙和伊利石孔隙中主方向上甲烷扩散系数大于有机碳孔隙中主方向上甲烷扩散系数。