页岩气藏具有低孔隙度、低渗透率等特点,页岩储层中包含许多纳米尺度的干酪根孔隙与粘土孔隙。干酪根孔隙内部生成页岩气,而大量粘土孔隙不仅存储一部分页岩气,更是页岩气水力压裂开发中的流动通道。页岩地层含有原始残余水,在压裂阶段则被大量水侵入。因此研究气水在页岩纳米孔隙中的吸附和流动状态对页岩气的勘探开发至关重要。虽然目前已有相关页岩气水的实验,但是由于连续介质假设在纳米尺度存在不足等原因,仅通过实验仍然无法完全探索气水在纳米孔隙中的吸附与流动规律。而分子模拟作为一种模拟方法,从分子或原子间的基本作用力着手,能够通过构建分子或原子级别的模型来探索微观现象和机理。本文采用分子模拟的方法(分子动力学模拟与蒙特卡洛模拟)研究了甲烷气体和水在页岩粘土孔隙中的吸附、共存状态以及流动状态。这些粘土矿物包括高岭石、伊利石和蒙脱石等。所关注的孔隙形状包括平板平板孔、圆柱孔、长方体孔等。所得到的模拟结果与宏观现象、实验数据进行了对比分析,并提出了纳米尺度气水吸附与流动机理。论文的主要工作及创新如下:(1)首次研究了甲烷气体在粘土边面上的吸附并与基面进行了比较。纳米孔的表面化学特性是吸附现象中的关键因素。页岩地层中的粘土孔隙具有基底表面和边缘表面(主要为A&C链边面和B链边面)。尽管粘土颗粒具有不同的面和独特的表面化学性质,但在粘土边缘表面上进行甲烷吸附的研究很少。本文首次利用巨正则蒙特卡洛和分子动力学模拟研究了伊利石纳米平板孔隙(包含基底面和边缘表面)对甲烷气体分子的吸附。模拟结果与已有实验数据相比很接近。模拟结果也显示。吸附能力按粘土矿物基面>B链边面>A&C链边面的顺序,但是这些表面之间的吸附能力差异很小,因此在页岩地层中边面不可忽略。另外,模拟发现吸附层具有大约0.9纳米的厚度。而孔径决定了气体分子之间的相互作用重叠强度,影响该重叠强度的孔径临界值约为2纳米。甲烷分子在边面和基面上具有不同的吸附位点。吸附相密度也随着压力变化而不同。(2)首次发现页岩平板孔隙中存在水桥现象,区别于宏观上认为的水膜现象。本文基于分子动力学模拟研究了伊利石平板和圆柱形纳米孔中水和甲烷共存状态,与页岩地层中水膜普遍存在的观点形成鲜明对比的是,模拟观察到在平板孔隙中存在着水桥,而在圆柱孔会出现水膜。水桥现象会改变甲烷气体的分布形态。水膜或水桥的发生取决于孔隙表面化学性质、孔隙形状和孔隙大小。通过分析水分子朝向分布和氢键网络,得出由孔隙内原子电荷分布不均产生的电场是引起水桥现象的原因。粘土表面的亲水性质倾向于形成水膜,而粘土孔内由粘土表面电荷和可移动的金属离子引起的强定向电场则易形成水桥。水桥还是水膜则由这两者的竞争关系决定。(3)研究了高岭石、伊利石含气孔隙中水驱气的动态过程。发现水能够从裂缝中进入到页岩纳米孔隙中,将气体驱替出来。气体排出去之后,微纳孔隙中的水难以返排出来。从微观解释了页岩气生产中压裂液返排率低的时候而产气量高的现象。(4)使用非平衡分子动力学来模拟研究页岩纳米孔隙内的水和甲烷气体的混合流动行为。选取高岭石建立了具有矩形横截面形状的孔隙模型,内部孔隙表面由基面和B链边面组成。气水的流动由施加额外体积外力来驱动。模拟结果表明高岭石表面的硅氧原子比水对甲烷分子更有亲和力。纳米受限环境下的水膜在长方体孔型中形成了近似圆形的水通道。本文分析了气水的滑移速度以及流量随时间的变化。计算得到的气体流量约为同等条件下水的两倍。另外,当被限制在高岭石纳米孔中时,受限水的粘度大幅度上升,明显高于其宏观液态下的粘度,而甲烷气体的粘度变化教小。