由于对资源和环境保护的需求不断增长,页岩气资源的勘探与开发一直处于研究的热点。页岩气主要成分是甲烷,主要的富集空间为页岩地层,由于其污染少,分布广,资源丰富等诸多优点被认为是取代燃煤有力的替代者。中国面对快速的能源消耗和燃煤引起的严重环境问题,在页岩气勘探中表现出更大的压力,但这促进了能源配置从煤炭向天然气的转变。甲烷的吸附和驱替的精确表征在估算气体位置和预测井产能方面起着重要作用。由于页岩储层孔隙的特殊性,要想在微纳尺度认识甲烷吸附及驱替,需要借助分子动力学模拟技术研究页岩气吸附和驱替的微观过程及机理。本文研究了石墨烯狭缝中二氧化碳/甲烷的吸附及二者的竞争吸附、驱替过程和机理,通过研究页岩无机纳米孔道研究了甲烷/水的两相流动规律。石墨烯狭缝中二氧化碳相对甲烷而言有更强的吸附能力,且二氧化碳在吸附层中的分布状态趋向于平行于石墨烯表面分布;二氧化碳的吸附强度远大于甲烷的吸附强度;二氧化碳更趋向于分布于石墨烯C-C键的正上方,而甲烷趋向于分布在石墨烯环中心的最上方;二氧化碳与石墨烯表面的相互作用更强,有更强的吸附能力。石墨烯表面对二氧化碳的选择吸附性远大于对甲烷的吸附选择性;在混合组分的扩散中,二氧化碳剥离壁面处的甲烷,导致甲烷的扩散能力大于二氧化碳的扩散能力;驱替前后的吉布斯自由能变为负值,表明驱替过程为自发过程。二氧化碳驱替甲烷的过程在很短的时间就能完成;在驱替过程中存在两种分子置换机制;驱替过程中,二氧化碳与石墨烯表面的相互作用逐渐增大,而甲烷与石墨烯表面的相互作用逐渐降低。在不同体系压强的水气两相流中,甲烷/水会形成水膜和水桥两种结构;甲烷流量与压力梯度成线性关系,但是纯组分甲烷的流量与压力梯度成非线性关系;有水存在情况下,甲烷的流动满足达西定律,纯甲烷的流动会存在滑移,流动不满足达西定律;不同的水结构会影响水的流动,水桥的存在会增大水的流量,而水膜存在时,水的流量减小;由于壁面处分子与水桥分子之间的交换,导致水桥存在时水的速度剖面仍为抛物线状。本工作有望为能够为二氧化碳提高页岩气采收率及纳米孔隙中的两相流动提供一定的理论指导。