页岩气的微观机理研究是理论研究的重要内容,页岩孔隙为纳米级尺度,需要从纳米级层面入手深入研究页岩气成藏机理。本文通过微观力学理论对页岩气成藏机理进行了纳米级尺度的相关研究。先后分析了页岩气吸附微观机理、页岩气的甲烷分子受力平衡、甲烷分子间相互作用势、三种纳米级储层结构模型及微观力学平衡在页岩含气性评价中的应用,得出了如下认识:(1)页岩纳米孔气体传输机理包括游离气部分和吸附气部分,其中游离气部分以体相扩散为主,包括连续流动、滑脱流动和Knudsen扩散,吸附气部分以表面扩散为主。不同的传输机理所对应的各自的气体传输量组成了气体总传输量。(2)在页岩气微观力学平衡分析基础上,得出了页岩气赋存状态转变条件,即微孔中微观作用力占主导,页岩气的甲烷分子吸附未达到饱和,以吸附态为主;介孔中甲烷分子吸附达到饱和,游离气量增多,吸附态和游离态共存;宏孔中宏观作用力占主导,甲烷分子在连通孔中发生运移和储存,以游离态为主。(3)创建了包含分子间相互作用色散项、近场排斥项、取向项和诱导项的相互作用总势,及适用于页岩气的甲烷分子间的相互作用势,包含了非极性甲烷分子间的色散项作用、极性有机质分子和非极性甲烷分子间的诱导项作用以及近场排斥项作用,同时排除了有机质极性分子间的取向项作用。(4)得到了热动平衡条件,分析了温度、压力和化学势的变化对热动平衡的影响,即热平衡条件要求体系各部分温度相等,力学平衡条件要求各部分压力相等,相平衡条件要求各部分化学势相等。(5)根据页岩储层孔隙特点,将孔隙按封闭性分为封闭孔、开放孔和半封闭孔三种,对不同孔模型中页岩气的甲烷分子的吸附条件进行了分析,得出不同孔模型吸附与游离主要影响因素分别为压力、化学势和温度。(6)对页岩含气量的计算提出了新的认识,针对游离气含量计算方法中的存在的计算结果偏大问题,引入了吸附程度系数w以减小误差,改进了游吸比计算方法,并得出甲烷在介孔表面发生多分子层吸附的理论最大层数。