煤层气储层通常饱和着大量地层水,水的存在会对气体的吸附和扩散产生影响。为了提高煤层气的产量,压裂成为主要的增产措施,而压裂液的适用性是决定煤层气井压裂效果好坏的关键因素之一。因此,本文针对含水煤层中气体吸附和扩散时的特征以及活性水压裂液和泡沫压裂液对CH4扩散的影响,利用分子模拟方法和实验手段展开如下研究：(1)煤层气储层具有非均质性,所以采用Fuchs煤化学结构模型构建煤分子狭缝孔模型。在干燥煤的气体吸附研究中,采用蒙特卡罗法模拟了不同温度和孔径下H2O、CO2和CH4的吸附特征；在含水煤的气体吸附研究中,则分别考虑了单组分CO2和CH4以及双组分CH4/CO2在不同温度、孔径、含水率和摩尔比下的吸附特征。(2)通过分子动力学方法分别模拟计算了单组分CO2和CH4以及双组分CH4/CO2在不同温度、压力、孔径、含水率和摩尔比下的扩散系数、分子平均自由程和等势而分布等参数,揭示了气体在含水煤中的扩散规律。(3)利用分子模拟方法分别建立了泡沫压裂液中起泡剂十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠和甜菜碱以及稳泡剂聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)和羧甲基纤维素钠(CMC)的分子结构模型。通过分子动力学方法分别模拟计算了不同起泡剂和稳泡剂与煤、水和含水煤之间的相互作用能和泡沫压裂液影响下CH4的扩散系数,并与实验测定出的饱和泡沫压裂液煤粉的CH4有效扩散系数进行了对比,揭示了泡沫压裂液对煤层CH4扩散的影响规律。(4)通过分子模拟方法分别研究了KCl对水分子在煤表面吸附的影响以及钾离子含量的多少对助排剂(十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠)分子在煤表面吸附的影响。利用分子动力学方法模拟计算了活性水压裂液影响下CH4的扩散系数,并与实验测定¨的饱和活性水压裂液煤粉的CH4有效扩散系数进行了对比,揭示了活性水压裂液对煤层CH4扩散的影响规律。在上述的研究工作中,,吸附和扩散规律总体归纳起来主要体现在以下几方面：(1)在干燥煤中气体的吸附强弱为H2O>CO2>CH4;温度的升高对水分子吸附的影响程度大于CO2和CH4；孔径的增大使水的吸附量逐渐增大,而C02和CH4则呈现出相反的趋势；水因氢键和范德华势的共同作用使其在煤狭缝中的吸附热高于CO2和CH4的吸附热；水在狭缝孔中吸附时密度均匀分布,而CO2和CH4的密度分布集中在壁面。(2)含水煤中,含水率的增大、温度的升高和孔径的增大会使单组分CO2和CH4的吸附量降低。双组分CH4/CO2也有类似结论,但当温度逐渐升高和逸度逐渐增大时,CO2和CH4的绝对吸附量曲线和过剩吸附量曲线均出现交错区；孔径的增大有利于CH4绝对吸附量的增加,但无论是在哪种孔径下CO2的过剩吸附量始终大于CH4的过剩吸附量；CO2摩尔含量的增大使CO2的过剩吸附量曲线逐渐出现峰值、开阔区和交错区；孔径的增大使高摩尔含量CO2的过剩吸附量骤减程度逐渐增大；在大孔径下,当CH4/CO2摩尔比小于1且压力较高时,CO2在竞争吸附中处于劣势。(3)含水煤中,温度的升高、压力的降低、孔径的增大和含水率的降低会促进单组分CO2和CH4在煤狭缝孔中的扩散,使扩散系数增大。双组分CH4/CO2也有类似结论,当CH4/CO2的摩尔比逐渐减小时,CO2的扩散系数逐渐增大,而CH4的扩散系数仅在0.35×10-8m2/s左右变化,可见不管CO2的摩尔含量是否占优势,CH4的扩散过程始终处于劣势。虽然影响因素不断变化,但气体扩散始终以分子扩散和Knudsen扩散为主。(4)起泡剂和稳泡剂分子虽然会吸附于煤分子表面,但不同起泡剂和稳泡剂分子的吸附性能有较大差异；与无起泡剂时CH4的扩散系数对比可知,起泡剂的加入会使CH4的扩散系数显著降低,造成CH4从煤基质微孔向裂缝的扩散受阻；与仅加入起泡剂时CH4的扩散系数对比可知,稳泡剂的加入大大降低了CH4的扩散系数,大分子聚合物型稳泡剂会对煤层带来极大的伤害,显著降低CH4的扩散速度。(5)活性水压裂液中KCl的存在可减少水分子和助排剂分子在煤表面的吸附；因钾离子有效干扰了水分子占据煤表面的吸附位,减缓了水分子吸附引发的煤基质膨胀效应,所以2%KCl水溶液影响下含水煤层中CH4的扩散系数稍大于水影响下的扩散系数,而因助排剂分子与煤表面发生了吸附,所以活性水压裂液影响下的扩散系数最小。综上,本文完成了含水煤层中气体吸附扩散的分子模拟研究,揭示了单组分和双组分气体的吸附和扩散规律以及泡沫压裂液和活性水压裂液影响下煤层CH4的扩散规律,取得研究手段和结论认识的突破。