页岩油已经成为全球非常规油气勘探开发的新亮点。然而由于页岩储层广泛发育的纳米级孔隙,传统的研究方法和手段难以准确描述其流动机理;这已经成为制约我国页岩油工业化探索的瓶颈。开展页岩油在微尺度条件下的流动机理研究,揭示液体滑移现象的作用机制,阐明页岩油的流动规律,不但可以为页岩油勘探开发的快速突破提供理论指导,而且有助于从应用的角度推进微尺度流动等基础理论问题的解决。本文主要在分子和孔隙尺度上开展页岩油的微观流动机理研究。首先利用分子动力学模拟(Molecular dynamics,MD)方法研究了液态烷烃在富有机质页岩孔隙内的赋存状态,揭示了烷烃密度分布的周期性波动特征。在靠近固体壁面处烷烃会形成“类固体层”,其密度为游离态流体密度的1.5~3倍,且主要发生多层吸附,吸附层的数目受缝宽和流体组分影响,每个吸附层的厚度与烷烃分子的宽度一致。重质组分在有机质表面的吸附能力更强。基于MD所得到的每个吸附层的厚度和平均密度,考虑原油在储层中赋存状态的不同,将吸附态和游离态原油分离开来,建立了页岩油资源量估算的岩石物理模型和数学模型。然后针对石英、有机质和方解石三种典型的页岩矿物开展了单个纳米级孔喉内原油流动的模拟研究,从分子尺度上探索了页岩油的微观流动规律。不同岩石矿物所构成的纳米孔内原油的流动特征差别很大:在相同条件下,油在有机质孔隙内流动的最快,石英孔隙内次之,方解石孔隙内流动的最慢,揭示了该现象的物理机制与流固相互作用力和表面摩擦系数有关。润湿性会影响流体流动,但并非唯一因素。进而通过引入“滑移长度”和“视粘度”分别建立了油在不同矿物所构成的单个纳米孔内流动的数学模型,为孔隙尺度上页岩油的流动规律研究奠定了基础。随后,基于分子动力学模拟方法建立了页岩储层内流体润湿角随孔径变化的数学模型。孔径越小,储层越亲水,但是汞的润湿角却越来越大。将该模型与流体表面张力随液滴尺寸变化的数学模型相耦合,考虑微尺度效应对流体表面张力和润湿角的影响,修正了高压压汞方法的解释技术,并与低温气体吸附实验结果进行对比验证了该方法的有效性。结果表明如果忽略微尺度效应的影响,压汞方法所得到孔径的相对误差可能高达44%,而且样品中小孔隙越多偏差越大。进而基于J函数理论建立了页岩储层中油、水、气的毛管力预测模型。该模型对储层孔隙结构的精确表征和多相流动机理的研究具有重要的指导意义。最后,提出“有效滑移长度”的概念对表面粗糙度影响下纳米单管内原油的流动规律进行表征。当粗糙度达到一定程度时,不同的岩石矿物表面都会出现“负滑移”。鉴于页岩中有机质孔隙的尺寸总是比无机质孔隙小一个数量级,而且不同矿物孔隙内流体的流动规律具有明显差异,建立了考虑矿物分布的页岩孔隙网络模型及相应的流动模拟方法,发现页岩油的流量与压力梯度的关系为过原点的非线性曲线,揭示了致密储层非线性渗流的根本原因是孔隙结构的复杂性、壁面粗糙度和流体的非牛顿特性。