多孔介质中的两相流现象普遍存在于工程应用中,如提高石油采收率、土壤环境修复、燃料电池储能技术和地质储层中二氧化碳的捕捉与封存,生物化学等,因此对于两相流动力学的研究受到了国内外广泛的关注。然而国内外学者对于两相流机理的研究大多数是在水平注入方向上进行的,对于重力作用会对驱替过程的流动特征产生什么样的影响还没有一个较为全面的研究。本文通过控制注入方向以及注入流量来改变粘性力、重力以及毛细管力之间的竞争关系。采用微流控可视化系统对均质多孔介质两相驱替过程的流动状态进行观测,分析了不同条件下的无量纲数与流动状态,以及采收率之间的变化关系。使用micro-PIV（micro-particle imaging velocimetry）粒子成像测速系统对孔隙尺度下的两相驱替过程进行观测,对比向上和向下驱替过程中两相界面的推进特征,圈闭残余油的形成过程,以及海恩斯跳跃现象,并且实验通过对速度场的分析量化了流体之间的相互作用。综合两个实验对孔隙尺度两相流动机理的研究结果共同得到以下结论。（1）在垂直向上,向下和水平注入方式下,大注入流量的驱替过程都能得到稳定的驱替前缘。随着注入流量减小,流动稳定性逐渐变差,驱替过程产生指进前缘。低流量下的向下驱替过程存在稳定和不稳定两种驱替状态,且随着注入流量的减小不稳定驱替状态出现的频率增大。与水平和向上驱替过程相比,向下稳定驱替状态的采收率最大,不稳定驱替状态的采收率较小,水平与向上驱替过程的采收率总体相差不大。（2）向上、水平和向下驱替过程的稳定状态转变的临界毛细管数分别为1.4×10-5,4.44×10-5和1.4×10-4,根据孔隙填充理论以及临界毛细管数建立了用来预测不同条件下驱替状态转变的数学模型。结合毛细管数、重力数、邦德数和粘度比构建了适用于不同注入方式的油水两相驱采收率预测公式,为多孔介质内两相驱替过程的研究以及实际工程应用提供参考。（3）向上和向下驱替过程的前缘推进方式并不相同,在向下驱替过程中重力作为推进力加剧了前缘的指进现象,在多孔介质中留下大面积的圈闭残余油。而在向上驱替过程中重力作为阻力阻碍了指进前缘的推进,导致流路从指进前缘的末端向水平,甚至逆流方向进行推进。在向上和向下驱替过程中都发现了海恩斯跳跃现象,在不稳定驱替状态下海恩斯跳跃速度是流路平均速度的3-12倍,而在稳定驱替状态下海恩斯跳跃速度是流路平均速度的2-2.7倍,且海恩斯跳跃现象会对大范围流路的速度产生影响。（4）通过速度场和涡量场对流体-流体和流体-固体之间的相互作用进行可视化,发现由于粘性作用使得流路中间的流速最大,骨架颗粒附近流速最小。以流路中心为对称边界,流路左右两侧呈现出相反的涡量分布,在拐角处的涡量要明显大于流路中的涡量,且涡量的大小随着注入流量的增大而增大。在圈闭油相与水相的界面附近测量得到非零的速度分布,其仅比流路中心速度小一个数量级,并且发现死孔中的流体并非完全静止不动,而是显示出较小的涡量分布,这说明流体-流体之间的相互作用及动量传递是不可忽略的。