面对常规油气资源日益无法满足世界能源需求的严峻形势,煤层气,页岩气作为一种新型的绿色能源逐渐被人们所重视。煤层气,页岩气分布广泛,储量丰富,污染低,开采潜力巨大。开发煤层气,页岩气对于缓解我国能源短缺,改善现有能源结构具有重要意义。随着模拟技术和计算机技术的发展,研究材料的尺度已经从宏观扩展到微观,从微观到纳米尺度,分子模拟技术的应用在揭示和预测CH₄吸附,CO₂与H₂O力压裂以及CO₂置换甲烷等的本质方面具有重要的实际意义。本文采用分子动力学模拟的方法分别研究了纳米锥中CH₄,CO₂,H₂O的势能的分布。首先比较纳米锥轴向,径向与CH₄,CO₂,H₂O的吸附,得出吸附能的大小为CO₂<CH₄<H₂O,吸附能越低,越易吸附在锥形碳纳米孔中。同时得到了CH₄,CO₂,H₂O在纳米锥中吸附能最小时纳米锥的半径分别为0.380 nm,0.355 nm,0.384 nm。CH₄,CO₂,H₂O的质心距离纳米锥顶的距离为2.25 nm,2.10 nm,2.27 nm。通过比较CO₂和CH₄吸附能的变化率,经过平衡位置以后CO₂的变化率大于CH₄。还得到了CH₄,CO₂,H₂O,距离纳米锥壁的距离的大小为CH₄>H₂O>CO₂。由此可知CO₂既是置换CH₄很好的物质也是很好的压裂材料。最后研究表明,随着温度的升高,纳米锥对CH₄的吸附量变小;压力越大,纳米锥的吸附量随温度变化趋势越明显。通过对吸附相和体相密度的比较发现,在相同的温度和压力下,吸附密度大于体相密度,这表明,纳米锥有储存更多甲烷的能力。通过比较纳米锥中受限制甲烷的置换效率,得出二氧化碳大于自然解吸大于水。当CO₂的初始压强为纳米锥中甲烷压强的1/2时,置换效率最好,此时纳米锥中大多数的CH₄都被置换了。对于H₂O而言,它会对CH₄的置换产生封堵作用,不利于CH₄的采出。