提高采收率技术（EOR）是油气田开发的永恒主题之一,对保障我国国民经济的发展有着重要的作用。随着油田剩余油重质化程度的不断加深,传统EOR手段面临着巨大的挑战。深入研究驱替规律,需要多学科共同努力,从宏观范围到微观尺度,并建立两者之间的联系,从本质上解释驱替过程中原油分子组成转化的规律和现象,进一步油藏挖潜提供理论依据。由于CO₂驱油过程中,CO₂与原油作用的过程中,原油组分的变化十分明显,而且由此导致的有机物沉积问题一直困扰着油田的进一步开发。因此,本文通过利用模拟CO₂混相驱过程,并结合傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）对所得到产物及剩余油进行了分子层面的表征,揭示了CO₂混相驱过程中CO₂萃取产出油和沉积物的分子组成特征,并在此基础上建立了一种基于数学模型的预测CO₂驱油过程中沥青质沉积的新方法。同时深入研究了三种典型化学驱前后原油分子组成变化的规律。为探究驱替过程中原油性质变化的本质,以及剩余油研究方法做了进一步的补充和完善。主要内容包括:利用超临界萃取仪模拟CO₂混相驱过程中CO₂与原油之间多次接触过程中的相互作用,通过对不同操作条件下超临界CO₂萃取原油得到的萃取物（即产出油）和萃余物（即沉积物）的表征,全面认识了超临界CO₂产出油和沉积物的化合物组成,包括烃类及杂原子化合物。揭示了超临界CO₂对原油中不同类型化合物的萃取选择性。发现超临界CO₂对原油四组分（SARA）亚组分均有一定的萃取作用,并非所有沥青质均会产生沉积,而有一部分沥青质会被CO₂所溶解,对这部分沥青质进行了分子表征。在实验条件下（20-30 MPa,50-70℃）,压力对超临界CO₂萃取的影响比温度显著。产出油中,高缩合度、强极性的化合物含量较少,烃类化合物的含量明显比杂原子化合物要多;其中N₁O_x、O_xS_y、O_x类等杂原子化合物在沉积物中富集较多;沉积物中不仅含有沥青质,胶质等大分子杂原子化合物,还含有相当含量的长链脂肪烃（碳数≥23）。根据溶解度参数理论,利用FT-ICR MS得到的原油分子质谱数据,建立了计算了原油化合物分子的溶解度参数的新方法,并与超临界CO₂溶解度参数进行了比较,可以用此预测原油中化合物分子在超临界CO₂的可溶解性。选取密度关联法、蒸发焓关联法和PR-EOS关联法来计算原油化合物分子溶解度参数,其中蒸发焓关联法误差较大,PR-EOS关联法计算结果较好。发现Giddings经验关联式可用于计算超临界CO₂的溶解度参数,尤其在高压（P≥20 MPa）情况下,计算值与实际值吻合非常好。在实际CO₂驱替时,可以利用此计算方法,预测在地层条件下,超临界CO₂与原油接触时,容易产生沉积的有机组分。在深入剖析CO₂混相驱原油分子组成变化的基础上,进行了三种不同方式的化学驱替实验,即聚合物驱、三元复合（ASP）驱和泡沫驱。研究了在接近地层条件下驱替前后,原油分子组成的变化情况,着重对驱替剩余油的分子组成进行了详细的表征。发现驱替过程中产出油与剩余油在分子组成上有较大的差异,剩余油中主要富集了缩合度较高的化合物。选用不同的驱替剂会对剩余油中不同类型的化合物产生不同的影响,如ASP驱剩余油O₂类（羧酸）化合物含量明显减少,而聚合物驱剩余油中碱性氮类化合物含量减少明显。不论采取何种驱替方式,沥青质这类大分子、大极性的化合物非常不易被驱替,而残留在地层中;而高碳数、长链的正构烷烃也容易在地层中残留。对剩余油分子组成的详细表征,提出一种利用FT-ICR MS进行剩余油研究的新思路,可为预测驱替剂在地层中的流动路径和波及范围提供有价值的信息。