CO₂地质封存被认为是目前减轻温室效应的有效途径之一。深部咸水含水层由于其分布广泛,储存空间巨大,被认为是进行CO₂地质封存的理想场所。在进行CO₂咸水含水层封存数值模拟研究时,CO₂和地层水间的溶解被认为是瞬时完成的平衡溶解过程。然而由于岩石多孔介质孔隙、孔隙网络结构的复杂性,以及超临界CO₂（scCO₂）和地层水之间粘度差异,很可能导致scCO₂/水两相无法自由接触,有限的接触面积将极大地限制scCO₂的溶解过程,出现非平衡溶解的现象。值得一提的是,scCO₂的非平衡溶解受到两相渗流的影响,溶解也会对两相渗流具有一定的反馈作用,即发生两种机制的耦合。为了系统全面的研究scCO₂与水间的溶解及渗流场和化学场的耦合过程,分别进行了岩心尺度和孔隙尺度微观模型驱替实验。岩心尺度驱替实验是利用采集自鄂尔多斯盆地的典型低渗透砂岩,在8-10 MPa,40°C条件下完成的。实验过程中首先将岩心饱和水并进行scCO₂驱替实验。在建立残余水饱和度后,进行纯水驱替实验。通过收集和测定岩心出口端流出水中溶解CO₂含量,得到了scCO₂-水在低渗透砂岩岩心中的溶解过程。实验结果表明,水中溶解CO₂含量随着驱替时间变化,并小于实验条件下的CO₂溶解度1-2个数量级,证明了CO₂-水的非平衡溶解过程。通过改变驱替水中溶解CO₂含量背景值和注水速率,对该非平衡溶解过程进行了敏感性分析,建立了CO₂溶解速率随浓度变化的数值模型。为进一步解释岩心尺度观测结果,进行了孔隙尺度微观模型驱替实验。首先在一单晶硅芯片上,利用微观孔隙刻蚀技术,重现真实砂岩岩心的2D孔隙网络结构。在该微观模型中,在9 MPa和40°C条件下,进行了与岩心尺度实验过程相似的水驱替实验。利用微观显微镜成像技术,捕捉到了实时的孔隙尺度scCO₂-水两相渗流与溶解过程。通过图像分析,得到了scCO₂-水非平衡溶解的最直接证据:由于孔隙网络结构的非均一性引起水流的优势流,导致scCO₂-水之间非常有限的接触面积。水中溶解CO₂含量小于实验条件下的CO₂溶解度1-3个数量级。此外,与传统相对渗透率曲线模型和观测结果不同,孔隙尺度实验还观测到了溶解参与下的水相相对渗透率与水相饱和度之间呈现非单调性的变化规律。其原因归结于孔隙网络的双渗透性模式及CO₂的非平衡溶解过程。孔隙尺度实验为岩心尺度驱替实验结果提供了很好的解释与论证,加深了人们对CO₂束缚气封存与溶解封存机制间转换的理解。两相渗流与溶解耦合过程的研究结果也会对其他资源开采（如页岩水力压裂、CO₂提高石油、煤层气采收率、CO₂开发地热等）过程中的多场耦合问题有所启发。