碳酸盐岩缝洞型油藏在世界油气资源中占有十分重要的位置,这类油藏储量规模大,储层性质复杂。塔里木盆地的塔河油田,为典型的碳酸盐岩缝洞油藏。塔河油田前期通过开展注水替油和单元注水,减缓了油藏产量递减,但是随着开发进程的深入,注水替油效果越来越差,单纯注水增油的开发方式已经难以维持塔河油田的产量需要。注气是缝洞油藏开发中后期经常采用的手段。塔河油田在现场开展了注气提高采收率试验,取得了不错的效果。为了扩大技术规模,亟待开展注气替油的理论机理研究。本文的研究内容来自中石化西北油田分公司的研究课题。在调研国内外缝洞油藏实验研究和注气提高采收率的基础上,依据相似理论,以塔河油田S48井组和TK404井的缝洞单元为背景,设计制作大尺度可视化物理模型和高温高压全直径岩芯模型,进行注N2替油室内实验,分析缝洞单元注N2替油提高采收率机理。本文完成的主要研究工作有：1.完成了TK404井单井模型注N2吞吐可视化物理实验,研究结果发现：底水驱替后溶洞上部有很大一部分油不能被采出,成为“阁楼油”；注入的N2在重力分异作用下占据缝洞上部空间,形成N2气顶,将上部的“阁楼油”替换到缝洞中下部位从而采出。2.完成了TK404井全直径岩芯模型高温高压注N2吞吐实验,结果表明：填充石英砂后,模型中形成多孔介质,能够减缓多孔介质中气液界面推进速度,延迟气体突破时间；吞吐过程降压次数越多,采出程度越高；在高温高压下,注入的N2与原油接触后一般会部分溶于原油中,使原油体积膨胀,把小缝、洞及连通性好的部分微裂缝里的原油驱替出来。3.完成了S48井组模型注N2驱油可视化物理实验,结果发现：裂缝和溶洞的相对位置、溶洞的连通性、裂缝溶洞的配位比对驱替效果都有影响；注N2进行气驱,气体进入缝洞上部空间,有效驱替出缝洞中的“阁楼油”,采出大缝、缝洞里注入水难以动用的剩余油；注入N2驱油改善了储层中流体流动条件,增加了密度差,减少了界面张力：不同的注采方式对油井的采出程度影响较大,选择合适的注入井和采出井对提高整个油藏的采收率有重要意义。