黏土矿物是煤层、页岩层和致密砂岩层重要的无机组成部分,起着胶结的作用,其具有比表面积较大的特点,使其与CH₄的相互作用机理成为煤系气等能源领域的研究热点。尽管,CH₄在黏土矿物中的吸附和扩散及其随影响因素的变化规律有了一系列的研究,但仍处于起步阶段,这是由于以上研究仅限于宏观实验和理论分析等方面,研究对象也仅为蒙脱石和伊利石,高岭石等其它黏土矿物的研究相对较少,CH₄在高岭石表面的吸附热、吸附能、扩散活化能和相互作用能等热力学和动力学参数尚不清楚。鉴于高岭石为非常规天然气储层,特别是煤系地层（煤层顶底板）的主要成分,本文基于分子模拟的基本原理,对CH₄在煤系高岭石表面吸附和扩散进行系统研究,以期为阐明煤系气在富含高岭石岩层中的吸附和扩散特性提供微观的理论基础,为煤系气强化抽采及其参数优化提供理论依据,对研究页岩气和致密砂岩气强化抽采也具有一定的借鉴意义。得到的主要结论为:（1）在黏土矿物狭缝孔和CH₄正四面体结构的基础上,考虑高岭石晶体结构和CH₄分子的全原子坐标,建立了高岭石的晶体结构模型和CH₄的分子模型,并从密度、孔体积、晶格常数、吸附量和X射线粉末衍射等多个角度验证了模型的正确性。（2）得出了不同孔径和掺杂的高岭石晶体微观结构对CH₄在高岭石表面吸附和扩散的影响规律。随孔径增大,CH₄在高岭石表面的吸附量呈指数规律降低,而CH₄的扩散系数呈指数规律D=Aexp（7）-f/B（8）+C增大。CH₄在未掺杂、钙离子掺杂、镁离子掺杂和2价铁离子掺杂高岭石表面的吸附量从大到小的顺序为:2价铁离子掺杂>镁离子掺杂>钙离子掺杂>纯高岭石,而CH₄的扩散系数从大到小的顺序为:纯高岭石>钙离子掺杂>镁离子掺杂>2价铁离子掺杂,且随掺杂浓度的增大呈对数规律D=0.6505exp（7）-0.665C（8）降低。（3）分析了孔隙压力、温度和水分等储层环境对CH₄在高岭石表面吸附和扩散的影响规律。随孔隙压力的增大,CH₄在高岭石表面的吸附量先增大后趋于平衡,符合Langmuir规律,而CH₄的自扩散系数和菲克扩散系数均呈先减小后增大的规律。随温度的升高,CH₄的自扩散系数和菲克扩散系数均呈线性规律增大而CH₄的饱和吸附量和扩散活化能呈线性规律降低。随水分的增大,CH₄在高岭石表面的饱和吸附量、吸附热和CH₄-高岭石的相互作用均呈线性规律降低,高岭石的膨胀率增大,为2.19%-3.14%,而CH₄的扩散系数呈线性规律D_methane=1.6395wt+3.5362增大。（4）分析了CO、CO₂和C₂H₆等气体对CH₄在高岭石表面吸附和扩散的影响规律。在一元气体条件下,CO、CO₂、C₂H₆和CH₄在高岭石表面的吸附量从大到小的顺序为:CO>CO₂>C₂H₆>CH₄。在二元气体条件下,CO、CO₂和C₂H₆与CH₄发生竞争吸附,高岭石对CO、CO₂和C₂H₆的相互作用能强于对CH₄的相互作用能,使得高岭石对CO、CO₂和C₂H₆的吸附量大于对CH₄的吸附量,CH₄在高岭石表面的吸附量已不符合Langmuir模型。随CO、CO₂和C₂H₆吸附量增大,CH₄的扩散系数呈指数规律降低。（5）研究了分子模拟结果的工程意义和分子模拟在煤系气抽采中的应用,包括含气量预测、渗透率预测和强化抽采方法评价。基于沁南柿庄区块内主采煤层的储层条件,预测了山西组3号煤层和太原组15号煤层中高岭石的含气量和CH₄渗透率,并对强化抽采的方法评价进行举例说明。在3号煤层和15号煤层的储层条件下,CH₄在高岭石表面的吸附量分别为3.88⁴.44m³/t和5.03⁶.22m³/t,渗透率分别为0.72md⁰.86md和0.29md⁰.33md;钻孔或割缝卸压,可以降低岩层孔隙压力和孔隙压力,降低孔隙压力可以降低高岭石对CH₄的吸附能,有利于煤系气解吸和抽采;水力压裂或水力割缝等方法,会增加岩层含水量,增加含水量有利于降低高岭石对CH₄的吸附能,提高高岭石对CH₄的解吸特性;在储层孔隙压力下降到6MPa后,再向储层中注入CO₂驱替CH₄的效果最为明显,能够提高CO₂致裂的效率,节约工程成本;随着电场强度的增大,CH₄的扩散系数呈线性规律D=0.2948E+1.3078增大。与不加电场相比,电场强度为10¹00 V/m时,CH₄的扩散系数增大了239.98%,电场有利于CH₄在高岭石中的扩散。