随着世界能源需求的日益增长,以及新型清洁能源的匮乏,页岩气作为一种较为清洁的化石能源在世界能源格局中的地位显得尤为重要。尤其是美国和加拿大的商业化开发,使得页岩气成为世界各国关注的热点。此外,化石能源的使用会产生大量二氧化碳,它是全球温室效应的主要贡献者。而C02驱替页岩气的技术,不仅可以提高页岩气的采收率,还可以实现CO2的永久封存。针对这两个热点问题,本文建立了页岩模型并探讨了吸附扩散机理,同时模拟了C02对页岩气的驱替封存。地质深度条件下,深入理解页岩气的吸附扩散机理对页岩气藏的评估和高效开采至关重要。在第一个工作中,我们首先建立了页岩模型,然后使用μVT系综的Monte Carlo模拟和NVT系综的分子动力学模拟,研究了地质深度下页岩气(主要成分甲烷)的吸附扩散行为,探讨的深度范围为1～6 km。结果表明,页岩气的吸附量随着深度只有微小的增加；有趣的是扩散系数随着压力的升高先增大后减小,在5km的深度达到最大值。综合考虑页岩气吸附和扩散的模拟结果,以及页岩气的开采成本,我们建议最优的开采深度为3-5 km。特别地,当孔径增大到100A时,页岩气的扩散系数激增到原来的80倍,这对页岩气增产措施的探讨有重要的指导意义。在第二个工作中,我们研究了页岩孔隙的表面官能团对C02, CH4和CO2/CH4吸附的影响。首先建立了带有不同表面官能团的层柱孔模型；然后对构型进行量化计算,得到最终的稳定几何构型,同时对构型进行Bader电荷分析,这样就得到了后面模拟计算需要的页岩模型。通过Monte Carlo模拟,发现当Spacing为13.9 A,温度为373K时,甲烷在我们建立的模型中的吸附等温线与实验值吻合的很好,这就验证了所建立模型的正确性和合理性。紧接着,我们用此模型模拟了不同温度和压力下CH4和C02的吸附等温线。结果发现,表面官能团(羰基、羧基、环氧基、羟基和氮基)的存在会抑制CH4的吸附,促进CO2的吸附。同时官能团的存在会极大地促进CO2/CH4的选择性系数,并且Epoxy的作用最为明显。与完美的层柱孔相比,Epoxy的存在使得选择性系数增大了5-10倍。此外,我们还考察了CO2/CH4驱替的选择性和CO2的封存能力随着深度的变化趋势；发现随着深度的增加,CO2/CH4的选择性系数快速减小,到3km时选择性系数已经降低了50%,然后从3～6km,选择性系数的变化趋于平缓。而CO2的封存能力随着深度较为均匀的降低。综合以上因素,我们建议CO2驱替页岩气的深度为3km以内的浅储层。