由于页岩油藏富含大量有机质、非均质极强、渗透率低,造成页岩油藏开发难度大、成本高,注CO2是提高页岩油藏采收率的重要手段之一。研究注CO2提高页岩油藏采收率机理,是实现页岩油藏高效工业开发的重要前提和基础。本论文采用室内实验和数值模拟相结合的研究方法,分析了原油在页岩中赋存状态、传递规律和CO2-烷烃混合物在页岩中竞争吸附溶解机理。建立了评价CO2吞吐提高采收率效果的实验方法,对CO2在裂缝性页岩油藏中的注入能力进行研究。基于核磁共振技术（NMR）,分析了CO2在页岩储层混相驱替过程中吸附互溶油和游离油的动态变化规律,建立了基于Maxwell-Stefan（MS）方程的CO2混相驱提高采收率数学模型。取得的主要成果和认识如下:基于真空自吸实验方法得到了烷烃在页岩中的赋存状态,并建立了一种描述不同赋存状态烷烃在纹层状页岩传递过程的数学模型。该模型中考虑了烷烃的粘性流动、烷烃在有机质表面的吸附、烷烃在有机质表面和内部的扩散。结果表明自由油、吸附油和溶解油在页岩中的赋存量分别与页岩孔隙度、比表面积和有机质含量有关。由于游离相中烷烃的流动速度远快于吸附和溶解相中烷烃扩散速度,烷烃在页岩中平衡时间随页岩比表面积增加而降低,随层理厚度和有机质-粘土相比例的增加而增加。敏感性分析结果显示烷烃在溶解相中扩散系数对烷烃传递过程的影响远大于烷烃在吸附相中扩散系数。建立了一种测试CO2和烷烃混合物在页岩中竞争吸附溶解规律的实验方法,其基本原理是通过测试CO2和烷烃混合物在页岩中竞争吸附溶解前后自由相组分变化,进而计算得到CO2和烷烃在页岩中吸附溶解量,并分析了压力、温度和烷烃链长对CO2和烷烃混合物在页岩中的竞争吸附溶解规律的影响。实验结果表明CO2对吸附态烷烃的取代能力强于有机质中溶解态烷烃,当游离相CO2浓度超过阈值,CO2才能将溶解态烷烃取代。CO2对溶解态烷烃的取代能力随着链长和温度的增加而降低。烷烃在页岩中的吸附溶解量随着压力的增加而增加,同时,CO2对页岩有机质中溶解态烷烃的取代能力随着压力的增加而降低。通过室内实验研究了CO2吞吐在裂缝性页岩和砂岩中提高采收率效果。对比了不同孔隙度页岩和砂岩CO2吞吐采收率差异,分析了CO2注入压力和注入时间对页岩中CO2吞吐采出程度的影响。实验结果表明,尽管CO2在页岩中注入能力强于砂岩,但页岩基质的采出程度明显小于砂岩。然而,页岩CO2吞吐采出程度随吞吐轮次衰减明显小于砂岩,低孔隙度样品中该现象更加严重。注入压力对CO2吞吐提高页岩油藏采出程度具有重要影响。当注入压力从非混相压力增至混相压力,页岩的采出程度和CO2注入能力均出现大幅上升。页岩中CO2吞吐提高采出程度的最佳注入压力在最小混相压力附近。由于页岩中存在层理和微裂缝,以及CO2在有机质中的吸附溶解,CO2在页岩中注入能力强于砂岩。然而,CO2吞吐过程存在最佳注入量,相同压力下页岩的最佳CO2注入量大于砂岩,因此页岩中CO2吞吐需更长的注入时间。基于核磁共振技术和数值模拟对CO2混相驱提高页岩和致密砂岩采收率效果进行研究,并建立了CO2混相驱提高页岩油藏采收率数学模型,在该模型中考虑页岩非均质性和CO2对页岩有机质中吸附溶解态烷烃的取代作用。通过实验结果与数值模拟结果的比较,验证了该数学模型的正确性和敏感度。结果显示,由于页岩的非均质性和吸附互溶油存在,致密砂岩采出程度明显大于页岩。通过数学模型分析可知CO2混相驱提高页岩油藏采出程度过程可分为三个阶段。第一阶段,砂岩夹层中的游离油被CO2所取代,第二阶段,大部分粘土-有机质层中的游离油及少量处于吸附互溶油被CO2取代,第三阶段,剩余的吸附互溶油被CO2取代。