在油气强化开采、二氧化碳地质封存、地下水污染物运移与修复等地下能源和环境工程中,均涉及裂隙和孔隙介质多相流界面演化与驱替效率优化的科学问题。由于孔隙/裂隙介质流动通道的高度非均质性,以及多相流体黏滞系数存在量级上的差异,导致流体-流体界面往往处于不稳定状态,多相流流动结构进而呈现指流驱替模式。指流驱替模式使多相流宏观渗透特性呈现出强烈的非线性特征,从而对油气采收率和二氧化碳地质封存效率等起决定性的影响。本文以岩石粗糙裂隙和基于微流体的孔隙介质为研究对象,以多相流驱替模式及其细观机制为核心科学问题,采用可视化实验与理论分析相结合的方法,深入开展了粗糙裂隙两相流排水驱替模式、多相流流态转变及其能量耗散机制以及孔隙介质两相流驱替模式等内容的研究。主要创新性研究成果如下:（1）建立了粗糙裂隙中两相流驱替模式相图,揭示了稳态驱替条件下（M>1）界面失稳的物理机制受控于毛细力与黏滞力,粗糙裂隙两相流呈现出毛细指进、黏性指进与稳态驱替等三种经典的驱替模式。通过开展粗糙裂隙水-油两相排水驱替可视化实验,发现在非稳态驱替条件下（M<1,M为入侵相与被驱替相的黏滞系数比）,驱替效率随着毛细数的增加呈现先减小后增大的非单调变化;进一步发现在稳态驱替条件下（M>1）,两相界面发生失稳、入侵相提前穿透的现象。基于力学平衡关系,建立了粗糙裂隙中不混溶两相驱替模式相图,并通过量化分析揭示了稳态驱替过程中两相流界面发生提前穿透的物理机制。（2）研究了粗糙裂隙两相流渗吸过程中的能量转换关系,揭示了微米尺度下的能量耗散机制通过开展粗糙裂隙中水-油两相强制渗吸可视化实验,发现了当入侵相流体由小开度区流入大开度区时,两相流的界面压差呈现震荡现象,即“海恩斯跳跃”;进一步量化了该过程中界面能、外部输入功与耗散能之间的转换关系,发现了在毛细力主导的多相流过程中,界面压差的震荡将显著增加局部流速,进而使得51～58%的界面能由内能形式耗散。（3）建立了两相流流态转变与能量转换之间的“桥梁”,提出了基于能量转换的两相流流态判别准则基于两相流系统能量平衡分析,研究了不同驱替模式下的界面能、外部功与耗散能之间的转换关系,发现当两相流处于毛细主导时,两相流系统的界面能一部分转化为外部功,其余转化为耗散能;当两相流处于毛细-粘滞共同主导时,两相流系统的界面能与外部功共同转换为耗散能与动能。研究结果建立了两相流流态转变与能量转换之间的“桥梁”,提出了基于能量转换的两相流流态判别准则。（4）建立了反映孔隙结构与流速影响的孔隙介质流驱替模式相图,揭示了界面失稳特征控制驱替模式转变的细观机制孔隙结构特征直接决定了毛细力的量值,进而对两相界面演化与驱替模式有决定性的影响。通过开展基于微流体的孔隙介质排水（drainage,θ≈120°）驱替可视化实验,基于界面特征长度与分形维数的量化分析,表明随着孔隙结构特征参数与流速的持续增大,驱替模式呈现稳定驱替→毛细指进→黏性指进→规则指进的过渡。通过开展基于微流体的孔隙介质两相流渗吸（imbibition,θ≈7°）实验,发现随着毛细数的增加,湿润相入侵过程呈现毛细指进→薄膜流→毛细指进/薄膜流→非完全驱替的黏性指进的转变。基于两相界面弯月面形状演化特征分析,揭示了毛细指进向薄膜流发生转变的临界条件。