随着大量化石燃料使用及全球气候变化问题日益严重,二氧化碳捕集、利用与封存技术作为有效减少温室气体的技术手段受到越来越广泛的关注,本文以二氧化碳地质封存与利用为背景,通过实验研究、数值模拟研究和理论分析等方法,分别对CO₂在运输管道、注入井和地层中的流动换热问题和相态特性进行了研究。结果对于指导CO₂管道运输设计、保障CO₂高压管道安全性、指导CO₂注入井设计、保障CO₂注入井安全性、以及CO₂大规模封存与利用具有重要意义。对CO₂高压管道泄漏和应急关阀过程进行实验研究和理论分析,得到了不同初始CO₂状态时泄漏过程中的相态变化规律和应急关阀时的管内冷却效应。利用纹影仪、高速摄像机等先进测量设备,对管内多相流形成、关阀瞬间的水击效应以及泄漏口外未充分膨胀射流结构进行观测和记录。以真实CO₂注入井为研究对象,对CO₂注入井准稳态运行和瞬态关井开井操作过程分别进行了理论分析和数值模拟研究。提出CO₂沿注入井温度升高的机制为岩石对CO₂的传热、环空水自然对流、CO₂重力做功和CO₂可压缩性,并利用数值模型定量分析各个机制对总温升贡献的比例,提出CO₂沿注入井压力变化的平衡关系,并利用数值模型定量分析得到CO₂等效密度。提出注入井瞬态关井和开井时CO₂温度和压力降低的机制,并提出关井和开井最佳速度的建议。对与超临界压力CO₂换热耦合的环空流体自然对流换热进行了实验研究,提出了适用于CO₂注入井的竖直环空中自然对流换热准则关联式,以及与竖直线倾斜角为30^o的倾斜环空中不同周向位置和整体平均的自然对流换热准则关联式,并给出环空流体等效导热系数和自然对流净效果系数的表达式。CO₂注入地层后与地层中的水和油相互作用,其相态特性和热力学参数对CO₂封存与利用效率至关重要。本文通过实验研究获得了338.15-413.15 K、3.03-16.36MPa条件下CO₂、水和甲苯三相气液液相平衡实验数据并绘制等温三角形相图,每个温度下对富甲苯相和富CO₂相达到混相状态的临界点进行观察和测量,结果表明,CO₂对甲苯和水的相互溶解性起到助溶剂的作用。对饱和CO₂的NaHCO₃溶液在308-353 K、0.2-15.35 MPa下的pH值进行了实验测量和模拟研究,结果提供了基础的物理化学数据,有助于建立CO₂进入咸水层后的数据库,为大规模数值模拟提供基础。