随着人类社会的快速发展,传统的煤和石油资源急剧消耗。这些化石燃料的过度使用,已严重污染了全球环境。在这种情况下,非常规油气资源日益受到关注和重视。页岩气以其分布范围广、资源储量大、污染低等优点,成为当前油气勘探开发的热点。页岩气是从页岩层中开采出来的天然气,主要成分是甲烷。不同于常规油气藏,页岩基质含有大量的微纳米孔隙,具有低孔隙度和低渗透率的特点。实际地层条件下,页岩气具有多样的储存方式(吸附、游离、溶解等)和多尺度的渗流方式(解吸附、扩散、非达西流、达西流等)。相应地,页岩气的勘探开发涉及一系列多尺度多学科交叉的问题。当前,页岩气的勘探开发仍存在以下几个关键问题。吸附是页岩气的主要储存方式之一,但对纳米孔隙中甲烷吸附机理和吸附结构的认识还不够全面。实际地层影响吸附的因素很多,还没有准确表征页岩吸附能力机理的理论模型。由于大量的甲烷吸附于孔隙中,开采时主要为吸附的逆过程解吸附。对于观测到的解吸附滞后现象,仍未得到合理的解释。受解吸附滞后现象的影响,传统的降压开采方式效率低下。工程上引入注气驱替的新方法,但具体的驱替机理和驱替过程尚不明确。此外,微纳米孔隙中甲烷的流动存在微尺度效应,需建立准确描述其流动行为机理的模型。针对这些问题,本文采用蒙特卡洛和分子动力学方法,开展了系统的研究。研究发现,由于壁面与甲烷存在分子间的相互作用力,纳米孔隙的存储容量高于相同体积的自由态。当甲烷吸附于壁面时,其势能降低。随着孔隙宽度的增加,吸附态甲烷的结构从单个吸附层转变为四个吸附层。对比不同孔隙对应的等温吸附线发现,低压时小孔隙反而能存储更多的甲烷,这表明小孔隙的吸附作用更强。开采时主要为吸附的逆过程解吸附,工程和实验上通常可以观察到明显的解吸附滞后现象。目前解释此现象的机制主要有两种:毛细凝聚和孔喉尺寸变化,本文对这两种机制分别进行了模拟和分析。结果表明:毛细凝聚引起的解吸附滞后主要发生在甲烷的临界温度以下,高温高压的地层条件下不会发生毛细凝聚现象。进一步研究发现,甲烷的吸附会导致页岩基质的肿胀,继而引起孔喉尺寸的收缩。解吸附时,吸附的甲烷需要更高的能量才能通过缩小的孔喉,部分甲烷被困在孔隙中从而引起滞后。基于此机制,研究了压强和温度对解吸附滞后的影响规律。为驱替吸附的甲烷并提高开采效率,工程上通常采用注入气体的方法,常见的注入气为二氧化碳或氮气。模拟研究了这两种气体的驱替机理:二氧化碳可以直接替换出吸附的甲烷而氮气通过降低甲烷的分压促进其解吸附。进一步,对比了相同工况下这两种气体的驱替过程:注入二氧化碳时,突破时间长,驱替面急剧。而注入氮气时,突破时间短,驱替面平缓。页岩基质含有大量的微纳米孔隙,甲烷在这些孔隙中流动时存在微尺度效应。首先,利用平衡分子动力学方法计算了受限孔隙内甲烷的密度分布和自扩散系数。研究发现:吸附层中甲烷的密度较大,自扩散系数较小。在此基础上,利用非平衡分子动力学方法模拟了宽度从1到10 nm孔隙中甲烷的流动行为。结果表明:甲烷的流动速度分布与孔隙宽度有关。随着宽度的减小,速度曲线由抛物线转变为直线。在相对较大的孔隙中,抛物线流可用滑移边界修正的Navier-Stokes方程描述。相应地,计算了有效粘度和滑移长度。随着孔隙宽度的减小,表面扩散机制逐渐变得显著。在小孔隙中,中心位置速度是均匀的而壁面附近速度线性增加。为描述这种流动规律,采用分段多项式进行拟合。对比发现,这种情况下表面扩散机理能显著增加总流量。本文利用分子模拟揭示了页岩气关键问题的微观机理,得到的结果对页岩气的勘探开发具有重要意义。