页岩气是对传统化石能源而言的一种非常规的补充能源,被封盖在低渗透率和低孔隙度的层状岩石中,正因此给页岩气的勘探开采带来了重重困难。另一层面人类也面临着气候变暖的世界难题,为此捕获和封存温室气体也变得尤为重要。结合这两个难题,使用二氧化碳置换页岩气成为了一石二鸟的突破口,也成为了重要的研究课题。与此同时,水力压裂技术在北美等国家被成功应用于商业化开采页岩气中,使得页岩储层形成气-液-固三相共存情况,因此研究水存在时页岩中气吸附行为的课题值得探索。为深入探究这两个课题,我们建立了相应的页岩模型,使用分子模拟方法进行了气体吸附行为的模拟。在本研究工作的第一部分中,我们研究了烟道气驱替页岩气,其中烟道气被模拟为二氧化碳和氮气的二元混合物,甲烷作为页岩气模型,而页岩模型有无机黏土伊利石和有机物甲基萘表示。与纯二氧化碳相比,烟道气来源广泛更以获取,进而降低烟道气置换页岩气的成本。结果表明,页岩的孔径是置换页岩气和封存烟道气的重要因素,而烟道气中的氮气-二氧化碳比例对甲烷驱替过程影响较小。这是因为烟道气的较高分压是驱替页岩气的主要动力。此外,地质条件对烟道气置换甲烷的过程也有着重要影响。因此,我们建议在1 km的页岩气藏深度处更适合应用烟道气来置换页岩气。在本研究工作的第二部分中,我们探究了黏土型页岩中孔径和水含量对二氧化碳、甲烷及其二元混合物吸附行为的影响。我们首先建立了孔径12～20 A的蒙脱石狭缝孔模型,之后选取20 A的模型预先吸附了不同数量的水分子,最后得到含水量为0～0.4 g/ml的蒙脱石模型。在不同的温度下,模拟计算了气体在1～50 MPa压力变化下的吸附量和吸附选择性的变化。结果表明,孔径与气体的吸附量成正相关,温度与气体的吸附量成负相关,并且在低压时孔径和温度对二氧化碳的吸附量的影响更大。在不同的孔径和温度条件下,二氧化碳/甲烷吸附选择性始终大于1,说明相较于甲烷蒙脱石模型优先吸附二氧化碳。然而,孔径和温度都与二氧化碳/甲烷吸附选择性成负相关。对于水含量的研究发现,水的存在占据了黏土模型中的吸附位点导致甲烷的吸附量急剧减少,而在水含量较少时有利于二氧化碳的吸附,当水含量进一步增加时二氧化碳的吸附量则开始减少。我们还发现,二氧化碳/甲烷吸附选择性随着水含量的增加而显著增加。并且在有水存在时,二氧化碳/甲烷吸附选择性与压力成单调递减关系。因此,当有水存在时仍然可以采用二氧化碳/甲烷置换页岩气,在低压时置换效果会更好。