常见于轻质油藏、凝析气藏的开发，以及采用高压注气、注富气和注溶剂的油藏开发中。多组分渗流中，各个组分可能以液体状态存在，也可能以气体状态存在。烃类的相态，取决于混合物的组分和每个组分的性质。在渗流系统中，某一组分可能存在于油、气、水三相中的某些相中，在一定条件下某一组分还可以从某一相转移到另一相中去。地层中任一处的油气饱和度、油气物性（密度、饱和度等）及烃类组成的变化十分复杂，随烃类流体的总组成、压力、温度的改变会发生变化。研究多组分系统还要考虑热力学规律，即相平衡关系，借助这些关系确定在一定的温度和压力下各相中各组分所占的百分比。因此，多相多组分渗流是个复杂的物理化学系统。例如，凝析气藏开发过程中发生油组分的挥发初反凝析现象。

以实际油田注二氧化碳为例。针对油藏中二氧化碳的驱替特征，建立了多相多组分渗流模型，并对模型做如下假设：①储层内油、气、水三相共存，流动均服从达西渗流。②岩石微可压缩、各向异性。③油气烃类体系各个组分在渗流过程中发生相间传质，但相平衡可在瞬间完成。④水组分具有独立的相态，不参与油气相间传质。

油、气、水的流动均符合达西定律，流动方程为：

…（1）

式中（气），（水），（油）；为相的速度，米/秒；为渗透率，微米²；为相的相对渗透率；为相压力，帕；为相的黏度，帕·秒。

烃组分、水相的连续性方程可简写为：

…（2）

…（3）

将式（1）代入式（2）和式（3），同时考虑产量或注入量，可得注气过程中的烃组分渗流方程为：

…（4）

其中，；；为井的射孔层段。

例如水相方程：

…（5）

式中为孔隙度；为相饱和度；为相的摩尔密度，摩尔/米³；为相的速度，米/秒；相中组分的摩尔分数为；为相摩尔产量，摩尔/秒，注入为正，产出为负。

式（4）和式（5）即为多相多组分渗流力学基本方程。为求解组分模型，还须添加一些辅助方程，包括饱和度约束方程、质量分数约束方程、高压物性参数方程、相对渗透率及毛管压力等，以及相平衡方程、定解条件，从而达到所求未知数与方程数的平衡。