日益增长的能源需求给能源短缺问题带来了新的挑战，同时传统化石能源的消耗引起的CO2大量排放加剧了全球温室效应，页岩气作为极具发展前景的非常规天然气资源，以其储量大、碳含量低、能源效率高等优点而受到广泛关注，而采用CO2封存联合页岩气增产技术(CS-EGR)是一个潜在可行的解决能源短缺和温室效应的双赢方案。但页岩纳米孔隙极低的渗透率导致页岩气初始产气量只占页岩气储量的5%-15%，页岩气开采的研究重点转向开采率的提高，页岩纳米孔隙极低渗透率与页岩孔隙结构特性有关。基于页岩实际分子结构的模型和页岩储层的实际环境条件，本文主要针对页岩孔隙大小、孔隙结构形状和含水量这三种因素的孔隙特征对CH4吸附和驱离的影响进行分子模拟研究，从微观的角度解释了CO2和CH4在页岩储层中的吸附机理以及CO2驱离CH4机理，为页岩储量的评估和制定合理的页岩气增产方案提供技术参考。
　　鉴于页岩的纳米级孔隙特征，本文主要使用分子动力学模拟和巨正则蒙特卡罗模拟方法进行研究，首先结合研究目标，选取合适的研究模型，对于孔隙大小和孔隙含水量的研究，选取了钠基蒙脱石模型，而对于孔隙结构形状的研究使用干酪根分子构造了圆柱状、瓶颈状、楔状和裂隙状孔隙，然后使用巨正则蒙特卡罗模拟研究了孔隙结构特性对CH4和CO2单组份及其混合物吸附性能的影响，采用分子动力学模拟方法研究了CH4和CO2在页岩孔隙中的动力学特性及注入CO2驱离CH4的效果。结果表明：孔隙大小、孔隙结构形状和孔隙含水量对CH4和CO2在页岩中的吸附有明显影响，在相同的条件下，CH4的过量吸附量随着孔径增大先增大后减小，CO2的过量吸附量随着孔径增大而增大；CH4和CO2的过量吸附量在不同结构形状孔隙中呈圆柱状>瓶颈状>楔状>裂隙状的规律；含水量会降低CH4和CO2的吸附量；H2O、CO2和CH4在钠基蒙脱石孔隙中的吸附能力依次降低。CO2和CH4的吸附位点不同，CO2分子倾向于聚集在Na+附近，相反地，CH4分子更倾向于吸附在钠基蒙脱石的硅氧六元环的中空位置。H2O与MMT之间存在较强静电相互作用，导致其在蒙脱石的表面形成水膜，水膜的存在弱化了CH4、CO2与蒙脱石之间的相互作用，从而降低了CH4与CO2在蒙脱石孔隙中的吸附量。对于CH4和CO2的竞争性吸附，孔径和含水量的增大会降低CO2/CH4的选择性，但孔结构形状对选择性影响不大。CH4和CO2在蒙脱石孔隙中扩散系数随孔径增大而增大；在不同含水量的蒙脱石孔隙中，CH4和CO2的扩散机理不同，随着含水量的增加CO2和CH4在蒙脱石孔隙中的扩散机理由表面扩散、克努森扩散向表面扩散、克努森扩散和粘性流三种形式并存的扩散方式转变。同时，由于小孔径的蒙脱石孔隙能量势垒高，扩散系数低，孔隙中的CH4难以被驱替；含水量的升高导致的“水锁”现象对CH4的开采速度有明显的抑制作用，但并不影响CH4的驱替效率；孔隙结构形状对页岩气开采率有显著影响，CH4分子在各种孔隙结构中被驱替的困难程度排序为圆柱状＞瓶颈状＞裂隙状＞楔状，这与系统阻力大小规律一致。希望本研究有助于更好地了解页岩气分子的微观状态，为CS-EGR的研究提供指导。