岩石作为一种自然界中广泛存在的复杂多孔介质材料,其物理力学性质及渗流特性研究与国民经济基础建设、资源开采、环境保护、防灾减灾等工程活动密切相关。岩石内部的复杂微观孔隙结构控制着岩石的宏观物理特性。精确表征岩石微观孔隙结构,探寻微观孔隙结构与宏观物理性质的内在关联,实现岩石宏观物理参数的精确计算是岩石力学的核心科学问题。为了深刻认识岩石内部微观结构演化与变形破坏、流体输运行为的本质关联,本文围绕岩石微观结构表征、岩石渗流-变形可视化两个主要研究内容,基于岩心分析、油层物理、渗流力学、岩石力学和数字图像处理等多学科交叉,采用理论分析、室内实验和数值模拟相结合的方法开展了系统研究。首次将室内岩石孔隙结构测试、基于重建模型的数字岩心模拟和岩石3D打印技术有机结合,最终建立了一套多技术融合的岩心微观结构表征和岩石渗流-变形可视化物理模拟技术及计算方法。主要研究工作和取得的主要成果如下:①系统归纳并总结了岩石微观孔隙结构的测试手段和适用范围。结合国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC）孔隙尺寸分类标准,从测试原理、测试内容、测试精度、测试尺度、测试效率和测试成本等方面,对目前的孔隙结构测试技术进行了精细的分类,提出了不同方法测试尺度的分级标准。②通过微米CT（Computed Tomography）和纳米CT扫描,开展了常规-低渗岩心的微观孔隙结构的获取与表征（共计5类17组岩心）。通过数字图像处理技术,获取了岩心孔喉特征参数,对孔隙结构特征进行了定量评价。开展了基于CT图像的孔隙网络模型提取和有限元网格模型重建方法研究,为后续基于数字岩心模拟的输运特性预测和3D打印岩石的制作提供基础模型数据。③在渗透率室内实验测试方法和理论分析的基础上,采用四种不同的微观数值模拟方法,对基于岩心CT图像的数字岩心REV（Representative Elementary Volume）渗透率进行了求解。分析了 VBS（Voxel Based Solver）,LBM（Lattice Boltzmann Modelling）,CFD（Computational Fluid Dynamics）和 PNM（Pore Network Model）四种模拟算法在计算精度和计算效率上的差异,以Thomeer关系和改进的K-C方程为约束,提出了渗透率微观模拟方法的优选依据。此外,以有限元网格重建模型为平台,采用CFD-VOF（Volume of Fraction）方法开展了油水两相流动模拟,分析了宏-微观毛细管数对相对渗透率、采收率和驱替效率的影响,计算了毛细管数的临界取值,研究了残余流体捕集-动用的微观机理。④在基于图像开展模型重建的基础上,创新地引入3D打印技术,实现了复杂多孔介质模型的精确、快速制备。采用不同的3D打印工艺与打印材料,通过不同的尺度升级打印方案,制备了 7类共20样次的岩石3D打印孔隙结构模型。利用氦孔隙度和高压压汞测试获取了3D打印模型的微观结构特征参数,通过与数字模型、以及文献结果进行对比,表明制备的3D打印孔隙结构模型能够较好的再现天然岩石的微观结构特征。同时,进一步分析了利用3D打印技术在多孔介质微观结构特征研究中存在的不足,为优化3D打印多孔介质模型的研究奠定了基础。⑤鉴于目前3D打印孔隙结构模型难以直接开展可视化渗流实验的限制（且传统光刻二维模型承压能力有限）,利用具有超高打印分辨率的面投影微立体光刻（Pμlse）微纳尺度3D打印技术,以能够承受85MPa及142℃高温的高精度硬性透明树脂（HTL）为打印材料,以10μm的光学分辨率制备了具有真实岩心孔隙结构特征的可视化微观渗流模型,并开展了油水两相流动的可视化实验。通过模型表面特性的定量调控,研究了不同表面润湿特征对水驱油过程的影响,分析了残余油形成机理和不同润湿性条件下油水流动过程两相界面的微观动力学机制。⑥针对采用聚合物材料的3D打印岩石模型难以模拟天然岩石强度和变形特征,以及颗粒表面物化特性的缺陷,本文采用三类不同的天然颗粒材料为基材制作了 3D打印岩石模拟物。通过室内单轴-三轴压缩,原位加载微CT扫描、高精度CT扫描、扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）和能谱分析（Energy Dispersive Spectrometer,EDS）等多种实验测试手段的联合表征,对3D打印岩石模拟物的强度及变形特征、裂纹扩展及破坏演化过程、微观孔隙结构（孔隙类型、孔隙尺寸、胶结剂分布和颗粒接触类型）、润湿性和渗透特性进行了系统研究。通过与天然岩石的对比验证了 3D打印岩石模拟物在替代天然样品开展流动测试分析和岩石力学研究中的可行性。