页岩气是非常规能源的重要组成部分,随着技术手段的不断提升,页岩气产量在非常规油气产量中的比重越来越大。中国具有丰富的页岩气资源,页岩气的有效开发和利用将对我国能源供应作出重大贡献。因此,深刻认识和研究页岩气藏的基本性质和运移机理显得尤为重要。页岩储层孔隙结构有显著的微观纳米特征,页岩矿物组成也多种多样,这些特征直接影响着页岩气的赋存与运移机制。本文以川南龙马溪组页岩储层为基础。首先,通过室内实验研究对该区页岩主要矿物组成、主要元素组成、孔隙裂缝类型和孔隙尺度进行观察和总结,得到研究区页岩储层的基本特征;然后,针对多种矿物进行分子动力学模拟,观察不同孔隙中甲烷的赋存状态;同时,通过建立非平衡态分子动力学模拟模型计算不同孔隙中甲烷的渗透率;最后,将微观分子动力学模拟得到的纳米孔隙中甲烷的流动特征与介观格子Boltzmann方法(LBM)模拟得到的介观孔隙中甲烷的流动特征进行嵌入耦合,得到了甲烷在微纳孔隙中的流动速度分布情况。本文工作量和技术难度大,经过全面深入地研究,完成的主要工作如下:(1)对川南龙马溪组页岩进行实验研究:主要包括,以X射线衍射(XRD)实验为基础的页岩岩石学特征分析;以X射线荧光实验为基础的页岩组成元素分析;以有机碳测试为基础的页岩有机碳含量分析;以低压氮气吸附、低压二氧化碳吸附、核磁共振、扫描电镜和高压压汞为基础的孔隙结构特征分析。分析发现,川南龙马溪组页岩中Si元素含量最高,为60%左右,其次为A1和C元素,含有少量的Fe、Ca、K等金属元素;矿物组成主要以石英和黏土矿物为主,黏土矿物中又以伊利石为主要成分;川南龙马溪组页岩干酪根类型主要为Ⅰ型～Ⅱ1-2型,以Ⅱ型为主,TOC含量均值在2%～4%;该区页岩孔隙孔径主要分布范围为1nm～15nm,孔隙类型主要为缝状孔,干酪根基质中存在点状孔隙。(2)根据实验所得到的页岩矿物组成信息,利用分子模拟方法对组成页岩的主要矿物进行分子构建,包括对占有页岩主要脆性矿物组成的石英的构建,对研究区的主要黏土矿物伊利石的构建,对层状有机物石墨烯的构建,对研究区内页岩主要干酪根分子的构建。以上矿物的分子模型分别建立1nm、2nm、5nm和1Onm孔径的纳米孔隙用于分子动力学模拟。综合考虑包括石英、干酪根和伊利石在内的页岩组成构建页岩分子孔隙模型。基于分子动力学方法,结合巨正则蒙特卡洛模拟对各种矿物孔隙中甲烷在不同压力、不同温度、不同孔径、不同含水量情况下的赋存状态进行研究。研究结果表明:在各种矿物孔隙中甲烷的分布状态类似,主要分为三个区域,包括孔隙自由空间的自由区域、孔壁附近甲烷高密度区域和二者之间的过渡区域。随着压力的增加,在孔隙中自由空间区域、过渡区域和壁面附近高密度区域的甲烷密度均增大;随着温度的增加,单位孔隙体积中甲烷含量呈现出下降趋势,其中,石英孔隙中甲烷含量随温度增加相对减少量最大达到24%,伊利石孔隙中甲烷含量随温度增加相对减少量最小为14.2%。在同种矿物孔隙中,小孔径孔隙中甲烷平均密度和壁面附近甲烷密度均高于大孔径孔隙。不同矿物孔隙中水分子的存在形式不同:石墨烯孔隙中水分子分散于孔隙空间,石英孔隙中水分子附着于孔壁并向孔隙空间“生长”,伊利石孔隙中水分子首先在壁面铺展然后逐层向空间扩充,干酪根中水分子在孔隙壁面和孔隙空间均成团存在,水分子不同的存在状态对甲烷的赋存产生不同影响。随着含水量增加,单位孔隙体积孔隙中甲烷含量均下降。含水1%时,伊利石和石英孔隙中甲烷相对减小量最大,为17.3%;含水2%时,伊利石孔隙中甲烷相对减少量最大,为21.3%;含水5%时,石墨烯孔隙中甲烷相对减少量最大,为33.9%。(3)通过统计计算孔隙中甲烷的均方位移对不同孔径不同矿物孔隙中甲烷的总扩散系数和平面扩散系数进行了计算。对比不同孔径的不同矿物孔隙甲烷扩散系数发现,孔隙中扩散系数随着压力的升高逐渐减小,这种趋势随着孔径的增加逐渐增大。(4)通过建立非平衡态分子动力学(NEMD)模型,模拟了不同矿物孔隙的渗透率。不同孔径的不同矿物孔隙渗透率变化趋势有差异。将不同孔径孔隙的渗透率换算为孔隙度10%的情况进行对比发现,随着孔径的增加渗透率逐渐增大,当孔径增加到1Onm时渗透率增长率变小,此时增加孔径对渗透率增量的贡献越来越小。(5)利用格子Boltzmann方法(LBM)模拟了孔径为100nm的简单二维空间介观孔隙中甲烷的流动速度剖面。研究发现,在孔径100nm的孔隙中甲烷的流动速度非常缓慢,孔道中心具有最大流动速度,速度剖面呈抛物线形。利用分子动力学方法模拟了1nm、2nm、5nm和10nm四种孔径的石英孔隙中甲烷流动的速度分布曲线。研究发现,在1nm孔径的石英孔隙中甲烷赋存状态稳定,难以流动;当孔径大于5nm时,孔隙中甲烷流动呈现出一定规律:孔径5nm的孔隙中相应位置的速度与孔径10nm的孔隙中相应位置的速度差异不大。利用嵌入耦合法将分子动力学模拟与格子Boltzmann方法模拟进行耦合,研究发现,在孔隙壁面附近甲烷流动速度不为零,但是在孔径100nm的孔隙中壁面附近甲烷流速与孔隙中央甲烷流速相比相对速度非常小,该孔径条件下,壁面附近的甲烷流量对整体流量的贡献比例很小,当孔径减小时,孔隙壁面附近的甲烷流量贡献比例会逐步上升。