随着油气田的持续开采,油气产量将逐渐下降,故为了提高油气田采收率并减缓油气田枯竭速率,高效的储层改造技术显得尤为重要。作为一种新兴的储层改造方法,空化射流技术因其定点改造、较长的储层微改造距离、低成本、工艺简单,并能够有效清除压裂液和酸化液引发的污染,已成为提升油田增产及增注效果的有效手段。本文主要基于此方法,对空化水射流流场特性、喷嘴的性能分析以及空化射流对破岩效果的作用机制展开研究,这对于提升油气田采收率,实现增产具有重要意义。 (1)针对空化水射流在储层改造中的工作特点,基于计算流体动力学方法,建立了风琴管空化喷嘴的数值模型;并根据实验结果验证了模型的正确性。 (2)基于空化喷嘴数值模型,开展空化水射流流场特性、喷嘴性能分析研究。计算结果表明,①空化云的演化周期可分为初生、发展和脱落与溃灭三个阶段。与第一个演化周期相比,第二个演化周期持续时间较短,最终空化云趋于动态稳定,射流最大作用距离可达80mm。②当风琴管空化喷嘴扩散角θ=10°,扩散段长度L4=1.0mm,圆柱段直径d= 2.5mm,圆柱段长度L3=7.0mm时,产生的空化效果和射流强度最佳。与优化前相比,优化后的空化喷嘴空化云面积百分比增加了 3.6倍,射流强度增加了 3.65倍。③增大入口压力和降低环境围压均有助于增强空化射流强度。④相比于角形和亥姆霍兹空化喷嘴,风琴管空化喷嘴在空化效果和射流强度上表现更优,更适合用于油田储层改造。 (3)基于显示动力学方法建立了空化水射流破岩数值模型,探讨空化射流破岩机理,同时研究了空化射流的主要参数(冲击速度、冲击靶距和等效直径)及岩性对破岩效果的影响机制。结果表明,射流速度越大、靶距越小、等效直径最佳时,砂岩的破碎程度越高。此外,不同岩性的破碎特性差异显著,天然气水合物沉积物最易破碎,煤岩次之,砂岩相对较难破碎。 综上所述,本文研究结果将为空化射流技术在油气田储层改造、煤层气及天然气水合物开采的实际应用提供理论支持。