在油气圈闭中,泥页岩是油气资源的良好盖层,同时还是天然的生油岩,是页岩油气的重要储存空间,在油气成藏过程中扮演着重要角色。要实现常规能源的高效开发和非常规能源的合理动用,首先需要在泥页岩地层实现安全钻进,并合理减少建井投入。然而长期以来,泥页岩地层的钻井工艺一直都在摸索中前进,并未得到妥善解决。黏土矿物是泥页岩的主要成分,具有遇水膨胀的性质,其晶格膨胀量和所带来的水化应力比泥页岩中的其它矿物高得多,因此有必要在原子分子物理层次上对黏土矿物在吸附、脱附、扩散和分散过程中涉及的反应机理进行认识。从结构上看,黏土矿物晶胞中包含n层Si-O四面体晶层和一层Al-O八面体晶层。当n=l时,四面体晶层(T-layer)和八面体晶层(O-layer)在夹层中以1:1的构成形式交替出现,称为T-O型黏土矿物,如高岭石;当n = 2时,为两层T-layer中间夹一层O-layer的结构,称为T-O-T型黏土矿物,如蒙脱石(MMT)、伊利石(illite)。此外,还有一种T-O-T...O型的结构,其结构类似于T-O-T型,但在晶层中间夹有一层水镁石八面体晶层,如绿泥石。在T-O-T型黏土矿物中,由于晶层内部常发生同构替换作用而带负电荷,加之两个相对的T-layer层间排斥作用大,水等小分子容易插入层间导致晶格膨胀,多属于膨胀型矿物。本文的研究即围绕T-O-T型黏土矿物展开,主要内容如下:(1)在Viani等所测得的MMT结构基础上,构建了以Li+,Na+,K+为配衡离子的MMT模型,并在第一性原理水平上进行了优化。为研究水分子在MMT表面的吸附和脱附过程,构建了带有真空层的MMT平板模型。在对MMT中单个水分子的脱附过程进行计算前,先进行了相互作用能的计算以验证色散校正对计算结果的影响,发现如果忽略色散校正项会严重低估弱相互作用。在对单个水分子在MMT中的脱附特征进行模拟时,分别设计了表面脱附和真空脱附两种路径。表面脱附能垒的顺序为:Li-MMT>Na-MMT>K-MMT。由于表面脱附的能垒更低,脱附作用应以表面脱附为主。真空脱附能垒在数值上等于吸附能。但是,针对吸附和脱附作用与温度关系的研究表明,吸附与脱附具有完全不同的能量路径,因而不能简单地用吸附热去衡量脱附行为。在对水化MMT体系中水分子的脱附特征进行研究时发现,从半径较小的配衡离子周围脱附需要更高的能垒。吸附水的存在会对水分子的脱附路径产生影响,二者之间形成的氢键作用使处于脱附过程中的水分子向吸附水靠近并从其周围离开。结果表明较大半径的K+与水分子的相互作用较弱是K+始终处于单层水化态的重要原因,MMT表面对于水分子的脱附具有促进作用。此外,吸附水的存在也有利于降低水分子的脱附能垒,使水分子的脱附变得容易触发。(2)首先,利用分子动力学方法比较了水分子在MMT和illite层间表面水合能的差异,发现四种黏土矿物晶体表面水合能的大小顺序为:Na-illite>Na-MMT>K-illite>K-MMT。然后,根据Na+和K+与表面相互作用强度的不同,验证了它们在illite表面的竞争吸附关系。表明在表面水化过程中,利用与黏土矿物表面相互作用较强的离子脱附相互作用较弱的离子是可行的。最后,对Na-MMT和K-illite这两个表面水合能相近的体系的杨氏模量进行了计算和比较。K-illite具有较高的杨氏模量值,说明K-illite的晶体结构更为牢固。正是由于K-illite中晶层间的吸引力较强,有利于其夹层结构的稳定,使水分子应具备更大的水化应力才能进入晶体内部,从而提高了晶格膨胀的能量阈值。因此说明黏土矿物的膨胀是受表面水合作用和体系结构稳定性(抗膨胀)共同作用的过程,表面水合能越大结构强度越低的体系越有利于膨胀的发生。(3)计算了在温度、体积分数、颗粒尺寸影响下的MMT纳米钻井液黏度。为了对常用的几种水分子相互作用模型进行优选,以确定适合黏度计算的参数,首先对纯水体系的黏度进行了计算,发现TIP4P/2005模型与实验结果吻合度最高。在对纳米流体黏度的计算中,发现其黏度随温度的升高而下降,随着纳米颗粒体积分数的增加而增加,同体积分数下随颗粒尺寸的减小而增加。分析认为,纳米颗粒总表面积的增加是导致体系黏度升高的根本原因,凡是能够影响颗粒总表面积的因素都能影响体系的黏度。密度泛函理论(DFT)计算得到的相互作用能数值证实了上述分析。随着模拟温度的升高,体系中的分子活跃程度得到提高,活化分子数量更多,分子间的吸引作用对分子自由运动的影响更低,从而在宏观上导致了黏度的减小。最后,拟合得到了具有Arrhenius方程形式的纳米流体黏度与温度和体积分数的关系式。