天然碳酸盐岩油藏在地质构造运动和岩溶的共同作用下,地层中往往会产生大量的宏观裂缝和溶洞,在空间上有显著的多尺度特征。这类油藏模拟的主要困难在于油藏的多尺度性。目前地质建模技术可生成精细地质模型,但此类地质模型一般包含数百万甚至数亿个网格单元,很难在现有计算机技术条件下实现油藏数值模拟。虽然采用网格粗化技术后能减少计算量,但粗化后的大尺度油藏数值模拟难以充分捕捉油藏小尺度特征。因此,建立一套适用于碳酸盐岩油藏多尺度流动模拟方法非常必要的。本论文针对碳酸盐岩油藏的储层特征,考虑非均质、裂缝、缝洞这三大类油藏,结合不同的多尺度方法建立了相应的多尺度模型,克服了传统数值方法处理多尺度问题时计算量大、难以捕捉小尺度特征的缺陷,形成了碳酸盐岩油藏多尺度流动模拟方法。首先,介绍了多尺度有限元法的基本原理,包括多尺度基函数的构造、边界条件以及超样本技术。针对多尺度有限元法在油藏模拟中的缺点,首次提出了多尺度局部守恒有限元法,该方法基于多尺度有限元法,在相邻网格单元边界处添加流速条件,实现压力和速度局部守恒。这样不仅保留了多尺度有限元法求解优势,而且满足局部守恒。其次,针对非均质油藏的不可压缩流、可压缩流、非线性流这三种流动形态,分别建立了多尺度两相流数学模型,基于多尺度混合有限元法推导了相应的多尺度数值计算格式,其中速度场采用多尺度基函数近似,压力场采用分段常值函数近似。通过与传统数值方法对比,验证了该方法的计算效率更高且模拟结果更好。在裂缝性油藏中,对裂缝进行降维处理,建立基于离散裂缝模型的多尺度数学模型;分别应用多尺度混合有限元法和上游迎风有限元法求解压力方程和饱和度方程,采用IMPES顺序求解方案实现了裂缝性油藏多尺度两相流模拟。最后,针对缝洞型油藏的储层特征,基于离散缝洞网络模型建立了Darcy/Stokes-Brinkman方程耦合的多尺度数学模型,其中大尺度数学模型采用Darcy渗流模型,小尺度数学模型采用Stokes-Brinkman方程。利用多尺度混合有限元法对建立的多尺度模型进行数值求解,通过算例验证了模型和方法的正确性。本论文创建了一套碳酸盐岩油藏多尺度流动模拟理论和方法,为碳酸盐岩油藏理论研究提供了新的方法。