碳捕获、封存与利用(CCUS)技术是我国低碳经济发展的重要选择。特别是二氧化碳强化采油技术不仅能够实现大规模碳封存，而且符合我国非常规油气开发的现实需求，因此成为CCUS技术的主要发展方向。在二氧化碳强化采油过程中，一个关键科学问题是理解孔隙尺度内部多相多组分流体的流动机理。由于微尺度实验难以采集多孔介质内部流体流动信息，孔隙尺度数值模拟成为渗流微观流动机理研究的一个重要研究手段。在孔隙尺度数值模拟中，格子Boltzmann(LB)方法由于容易处理复杂固体边界和高效并行的优势得到了广泛的关注和应用。但是，目前LB多相流模型在相界面捕捉准确性和数值稳定性两方面仍然存在不足。本文在理论分析的基础上，首先完善和发展了LB多相流数值方法，然后以二氧化碳强化采油为应用背景，探讨了孔隙尺度内非混相和部分混相驱替过程中提高采收率的微观机理。本文主要研究内容和成果如下：
　　1、通过对现有Cahn-Hilliard(CH)的LB模型进行了高阶多尺度展开分析，确定了恢复的宏观方程和目标CH方程的高阶误差项，通过消除主要误差项，提高了LB方法捕捉相界面的准确性。考虑相场方程描述静止液滴时可能出现的液滴自发消失现象以及壁面润湿性对孔隙尺度两相流的重要性，理论分析了壁面润湿性对液滴消失行为的影响。结果表明，接触角越小，界面厚度越大，计算区域越大，液滴消失的临界半径越大。
　　2、鉴于表面张力作用力对两相界面位置具有关键的影响，目前相场LB模型中存在多种表面张力作用力模型，包括张量形式、势能形式、压力形式和水平集形式，如何选取合适的作用力模型目前还缺少研究。通过一系列标准算例比较了各种表面张力作用力模型的优势和不足。结果表明，对于稳态和小界面变形问题，势能形式在捕捉界面位置和虚假速度方面表现的更好；对于运动和大界面变形问题，张量形式在捕捉界面位置方面表现的更好。
　　3、鉴于现有相场LB模型中序参量由于对流和扩散效应易出现超出其物理范围以及模拟两相密度比较小的问题，建立了两相多松弛LB模型。该模型能够维持序参量在合理范围之内，更准确地捕捉相界面特征，因此具有更好的数值稳定性。数值结果表明，该模型能够实现密度比高达1000的两相流问题。然后应用该模型研究了单个液滴穿过狭长喉道的动力学行为。结果表明，在亲水条件下，液滴在喉道上表面，喉道内部以及喉道下表面存在四种液滴破裂行为并导致小液滴滞留，其中喉内破裂后的小液滴不受重力影响，只和表面张力和润湿性有关；在疏水条件下，液滴不发生破裂并且总能够通过喉道。
　　4、鉴于二氧化碳地质封存及强化采油过程中可能发生的部分混溶现象，建立了两相两组分部分混溶流体系统的数学模型。除了流动方程外，该模型还包括描述组分演化过程的守恒相场方程和描述相体积分数演化过程的非守恒相场方程，基于该数学模型建立了能够准确恢复控制方程的LB数值方法。该方法能够重现二氧化碳气泡在欠饱和溶液中的溶解现象以及二氧化碳气泡在过饱和溶液中的析出现象。最后，应用该模型模拟了基于真实岩心的均匀孔隙结构和裂缝孔隙结构内的部分混溶驱替过程，重点研究了二氧化碳溶解原油并降低原油粘度的作用。结果表明，对于高渗透率均匀孔隙结构，二氧化碳驱油能够有效提高原油采收率；对于低渗透率裂缝孔隙结构，二氧化碳驱油对原油采收率几乎没有影响。
　　综上所述，本文从相界面捕捉的准确性和数值稳定性两方面改善和发展了现有的相场LB模型。通过研究单个液滴通过喉道的动力学行为和二氧化碳在多孔介质内的部分混溶驱替过程探讨了孔隙尺度内微观流动机理，对发展提高二氧化碳封存量和非常规油气藏采收率技术具有一定指导意义。