CO₂地质封存与利用被认为是应对全球性气候变化问题的重要途径之一。超临界压力CO₂与水/油的多相流动运移机理与规律是CO₂的长期安全封存与高效地质利用过程中的关键问题。然而,伴随CO₂长期封存/利用过程可能出现的孔隙表面润湿性、孔隙结构及储层压力的变化,对超临界压力CO₂运移特性的影响机理尚不清晰。本文采用理论分析、孔隙尺度与岩心尺度实验、孔隙尺度数值模拟等方法,研究了在孔隙结构、润湿性及储层压力发生改变时,超临界压力CO₂与水的两相流动运移机理与规律。地层水、CO₂与岩石的相互作用可能引起孔隙表面润湿性与孔隙结构的改变。本文在微观模型实验中实现了SiO₂孔隙表面的疏水化改性,研究了润湿性改变对CO₂-水两相驱替机理的影响。结果表明,在亲水多孔结构中,被水相截断形成的孤立CO₂相团簇可以形成有效的残余俘获,但当孔隙表面疏水时,CO₂相失去喉道处毛细突破压力的限制,难以形成有效残余俘获。通过孔隙尺度模拟与岩心尺度实验,研究了孔隙结构改变对毛细压力曲线的影响。当颗粒物在岩心中滞留时,喉道尺寸减小,毛细压力随之增大。碳封存过程中,可能会出现地层压力的变化。压力的降低会引起CO₂相密度与CO₂组分在水相中溶解度的减小,进而引起CO₂相的膨胀与析出。本文针对降压过程的研究结果表明,流体温度、降压速率以及孔隙表面润湿性对于析出CO₂相的成核数量具有显著的影响。降压后形成的析出相CO₂气泡存在大小不一时,产生Oswald熟化现象,尺寸较大的气泡将尺寸较小的气泡吸收。由于降压析出的CO₂相形态分散、连通性低,在水相驱替作用下具有较高的残余俘获比例。残余俘获的CO₂相在自身膨胀作用下,重新形成连通大团簇,恢复可动性。残余俘获的CO₂相较之可动CO₂相在降压过程中饱和度增量更大,表明可动CO₂相膨胀造成的不可控运移风险更大。本文通过岩心尺度实验研究了CO₂对残余油的驱替效率。结果表明,CO₂驱油效率在储层非均质的条件下明显下降,但仍具有可观的采收率提高潜力。CO₂与水相同时注入可以改善流度比,但并不总是有利于驱油。