以CO₂为主的温室气体排放量逐年增加,成为世界各国关注的焦点。CO₂咸水层封存是实现碳减排最有效的方式之一。注入到咸水层的CO₂以渗流方式驱替地层盐水,部分CO₂被捕获在局部孔隙中,从而实现毛管束缚封存。随后大量的CO₂聚集到盖层底部,扩散或溶解于盐水,实现物理结构封存及溶解封存。饱和CO₂的盐水与生盐水间由于存在密度差产生对流混合,可进一步促进溶解封存。渗流过程中的气水驱替和对流混合都涉及流体界面特性,其稳定性对CO₂封存效率以及安全性评估有着至关重要的影响。本文针对流体界面的稳定性问题,搭建了核磁共振可视化（MRI）实验装置及微流控实验装置,研究了CO₂咸水层封存过程涉及的气水驱替界面不稳定性和对流混合界面不稳定性。具体研究内容如下:利用MRI可视化研究了岩心尺度的渗流过程,观测了多孔介质内CO₂驱替水过程中界面不稳定性特性。研究表明受CO₂注入速度与CO₂相态等因素的影响,低毛细管数和低粘度比的流体易形成不稳定的驱替界面。分析了毛细管数（注入流速）对驱替过程CO₂突破时间与波及面积的影响规律,0.03 mL/min时CO₂波及面积和孔隙空间利用率最大。低流速下CO₂饱和度梯度沿流体注入方向逐渐减小,但是较高流速下维持不变。突破及稳态时CO₂饱和度与饱和度最大变化率均存在线性关系。利用微流控技术可视化研究了孔隙尺度的渗流过程,探讨了重力和注入速度对流体微观界面不稳定性的影响。结果表明初期水平驱替界面以毛细指进为主,伴随稳定的驱替界面,后期以粘性指进为主。CO₂饱和度随注入速度的降低而增大,且垂直驱替CO₂饱和度比水平驱替高。定量分析了孔隙CO₂束缚特性和流动特性,发现重力作用下CO₂优先通过大尺寸喉道,且非均质结构对流动路径的影响较大。研究了多孔介质内对流混合的界面不稳定性,测量了初始时刻、指头数量密度、浓度、生长速度等动态参数,分析了瑞利数Ra及佩克莱数Pe对动态参数的影响规律。研究发现对流混合的初始时刻随Ra的增加而减小。同一截面上指进数量先增加后减小,最大指进数量随Ra的增大而增大。指进生长速度随Pe增大而增加,较高Pe下的指尖浓度梯度较大。获取了舍伍德数、质量通量和弥散通量等传质特性参数,发现舍伍德数Sh与Ra呈幂次规律,且Sh和质量通量随注入速度的增大而增大。