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随着能源需求的持续增加和常规油气资源的日趋枯竭,油气的开采逐渐由常规油气转向了非常规油气。页岩油气是典型的非常规油气能源。由于页岩油气储藏量巨大,故其勘探和开采等研究逐渐受到世界各国的重视。本文采用分子模拟方法研究了页岩油气的成因、扩散机理和新开采技术等问题,为页岩油气行业的发展提供了理论指导和参考。论文的主要内容如下:(1)由于二氧化碳排放引起的温室效应越来越严重,因此科学家提出了使用二氧化碳驱替页岩气的新型开采方式,该技术不但实现了页岩气开采的产量,还实现了二氧化碳的封存。为此,我们采用GCMC模拟方法探究了使用CO2气体驱替页岩气的过程,构建了页岩母质的分子结构模型。通过与实验结果的对比证实了其模型和方法的可靠性之后,我们进行了系统的分子模拟研究,发现随着二氧化碳注入压力的增大,页岩气的置换量也随之增加,同时二氧化碳被封存在页岩中的量也增大。在相同二氧化碳注入压力下,页岩母质的孔径越大,页岩气驱替量也越大,二氧化碳封存量越大,但页岩气的置换率却越小。最后,综合考虑甲烷置换量、二氧化碳封存量和甲烷置换率,我们认为1 km是实施二氧化碳驱替页岩气的最佳地理深度。(2)页岩油的渗透系数与页岩油在页岩孔隙中的自扩散是密不可分的,所以研究页岩油在纳米孔隙中的扩散规律是非常有必要的。本文采用分子动力学方法研究了页岩油在页岩孔隙中的吸附、扩散等规律,为页岩油勘探和开采提供理论指导。通过探究页岩母质中有机质含量、页岩油藏储温度、页岩母质层间距大小和页岩油分子结构等因素对页岩孔隙中的页岩油扩散性质的影响,发现页岩中有机质越多,页岩油分子的自扩散系数越小;藏储温度上升,页岩油分子的自扩散系数逐渐变大。当孔道的孔径由2nm扩大50 nm,页岩油分子的自扩散系数急剧增加了 108倍左右;页岩油中的烷烃要比芳烃更加容易开采出来,而对于直链烷烃来说,碳链短的更容易开采。