煤层气储量丰富,运用水合物法进行气体分离可充分发挥其资源优势,使它发展成为一种重要的潜在新能源。本论文采用分子动力学模拟的方法,分别对不同模拟环境下的煤层气水合物稳定性进行研究,其中研究的主要模型包括:甲烷-氮气煤层气水合物;在环戊烷(CP)、四氢吡喃(THP)、四氢呋喃(THF)作为促进剂参与搭建的甲烷-氮气煤层气水合物;环戊烷(CP)促进剂下不同甲烷占比的甲烷-氮气煤层气水合物。主要研究工作及成果如下:(1)通过量子化学和分子动力学模拟,计算CH₄和N₂分别在所形成的SII型混合气体水合物晶穴中的稳定化能,并比较混合气体水合物与单组分气体水合物稳定性的差异。发现CH₄分子适合存在于5¹²晶穴,N₂分子既可存在于5¹²晶穴,也可以存在于5¹²6⁴晶穴。从稳定性的角度考虑,所得到的SII型煤层气水合物的微观组成与参与构建煤层气水合物晶格的客体分子类别有关。(2)通过分子动力学模拟从微观分子水平模拟三种不同类型促进剂作用下,相同数目的甲烷分子和氮气分子占据小晶穴时,煤层气水合物稳定性的差异。对于不能实现良好促进作用的含THP的甲烷-氮气煤层气水合物来说,H₂O分子氢键网络结构的破坏导致煤层气水合物的分解,且通过结构NPT模拟过程的结构变化可知,氢键网络结构的破坏呈现出由外层向内层逐渐演变的趋势。由于氢键网络结构被破坏,部分甲烷分子和氮气分子出现混乱,表现为富集或逃逸。对于甲烷-氮气煤层气水合物来说,环戊烷是一种良好的促进剂,相对于THF,甲烷分子和氮气分子在相同温度和压力模拟环境下,可以生成稳定性更好的晶胞结构。(3)模拟了环戊烷促进剂下不同组分浓度煤层气水合物的稳定性,并比较了环戊烷的占有率对煤层气水合物稳定性的影响。由于环戊烷占有率小于1时,大晶穴有所空缺,既可以存在于小晶穴又可占据大晶穴空缺位置的氮气分子的空间均方位移不固定,造成煤层气水合物结构坍塌。而当甲烷分子占有率大于氮气分子的晶穴占有率时,甲烷分子的分子直径小,促使所在晶胞的尺寸进一步增大,相互连接的氢键网络结构稳定性下降,增强了CH₄分子在晶穴间扩散运动的概率,从而降低了水合物的稳定性。甲烷分子占有率为50%时,可形成结构最为稳定的煤层气水合物。客体分子数目的不同占比,对煤层气水合物的结构稳定性有直接的影响。