石油是一种重要的高效清洁能源,同时也是不可再生资源,要合理开采石油必须深入理解石油矿藏的微观相互作用本质。石油开采在微观上主要涉及三个方面的行为,包括原油在多孔介质中的相行为、在岩石表面的吸附行为、在不同尺寸孔喉空间中的渗流行为。在这些微观行为中,目前尚有一些基础难点问题亟待解决。包括:泡沫油分子相态行为的规律性及对渗流特征的影响、表面活性剂在油藏岩石润湿性调控的作用机制及油膜剥离的动力学机制的认识难以满足生产实践的需求等。本论文围绕这两个科学问题,运用实验和模拟相结合的方法开展了系统研究并得到了以下的认识。针对高黏原油（泡沫油）的物理特性,我们采用微观实验的方法从微米尺度观察研究泡沫油降压相态变化中气泡形成、生长、合并和分裂4个主要过程,发现了气泡生长多是在运移过程中进行的这一重要现象,并得出了泡沫油重质组分含量高导致油相和气相界面稳定,是泡沫油不易脱气、缓慢进行相变的主因这一重要结论。同时,针对气泡成核特点,我们采用经典成核理论（Classical Nucleation Theory,CNT）模拟了气泡的成核过程,采用气液交界面追踪的流体体积法（Volume of Fluid,VOF）对表面张力、黏度、密度和泡径4个影响因素计算分析,并通过单气泡形成及VOF虚假流动分布验证了模型及计算程序的准确性。另外,我们建立了基于计算机断层扫描（Computed Tomography,CT）的真实多孔介质内泡沫油流动模拟实验方法,特别是建立了一种通过设置像素的饱和度阈值来识别气泡的方法,将宏观的渗流现象与微观的气泡特征关联起来。通过压力、采收程度、CT扫描图像等信息,综合分析得到了泡沫油降压开采的三个阶段及微观相态特征,并系统分析了降压方式、降压速度、温度、渗透率等宏观条件的影响,为泡沫油的高效合理开采提供依据。针对岩石表面润湿性调控的需求,我们选取了具有支链的阳离子孪连（Gemini）表面活性剂作为润湿性调控材料,研究其在亲水表面（石英）、疏水表面（Polytetrafluoroethylene,PTFE）、中等润湿性表面（Polymethylmethacrylate,PMMA）的吸附机制,并通过直接测试的接触角、表面张力及计算获得的粘附张力、固液界面张力、粘附功等参数进行表征。结果表明,对于疏水的PTFE表面,Gemini表面活性剂通过疏水作用吸附于固体表面,固液界面张力随浓度增大而降低,接触角基本保持不变;Gemini表面活性剂在空气-水表面的吸附量明显高于PTFE-水界面。对于中等极性的PMMA表面,临界胶束浓度以下Gemini表面活性剂通过二甲苯基与PMMA功能团的极性相互作用吸附于PMMA表面,固液界面张力随浓度增大略有升高,接触角变化不大;临界胶束浓度以上Gemini表面活性剂通过疏水作用在PMMA表面上形成双层结构,固液界面张力随之降低,接触角降低。对于亲水的石英表面,临界胶束浓度以下Gemini表面活性剂通过静电作用吸附在石英表面上,使固体表面疏水化,固液界面张力增大,但由于表面张力同时在降低,接触角随浓度增大仅略有增加;浓度在达到临界胶束浓度之后,Gemini表面活性剂并未在石英表面形成双层吸附,而是通过柔性链的弯曲,形成了更加紧密排列的吸附膜,固-液界面张力随浓度进一步增大,造成接触角随浓度增大而明显增大。特别的是,我们建立了分子动力学（Molecular Dynamics,MD）的模拟方法构建微观模型,从原子角度分析石英/水/表面活性剂间的相互作用,分析整个分子动力学过程,比较体系相对浓度曲线、表面活性剂分子与水的径向分布函数和表面活性剂分子均方位移等参数,模拟结果与实验结果一致。以上对于高黏原油相行为及岩石润湿性调控的研究,建立的实验及模拟研究方法,以及取得的规律性结果,对改善油气田开发效果、提高原油采收率等技术的发展应用提供了基础依据和指导作用。