磨粒射流处理近井地层技术是近年来发展起来的修复和改善近井地层渗透性能、增产增注和提高原油采收率的一项高新技术。我校已经先后在大庆、胜利、辽河、河南等油田的200多口井进行了现场实验和应用,取得了良好效果,本文是对磨料射流近井地层处理技术中的几个主要科学问题进行的理论研究。首先,对由于钻井、完井、井下作业和长期采油和注水过程中流体污染,固体颗粒、碎屑沉淀的堵塞,引起井周地层应力重新分布,使得井周地层应力升高、孔隙度减小,造成了近井地层的损伤。将应力重新分布、孔隙度减小的问题分别视为可动边界和可压缩骨架的渗流问题进行了分析,得到了近井地层渗透率的变化规律以及影响的范围。为制定磨料射流处理近井地层改善其渗透性能的施工工艺提供理论依据。磨粒射流系固—液两相流射流。在磨料射流处理近井地层技术采用的磨料射流中,砂质量比一般为5%,容积比约为3%,同体积内颗粒的质量和容积远小于水的质量和容积,因而可以忽略颗粒对流体的作用以及颗粒与颗粒之间的作用力,而将砂、水固液两相流简化为等效的单相流体按普通单相流体力学方法进行求解。由于忽略了颗粒与颗粒之间的相互作用力,所以将固体颗粒伪流体视为理想流体,水视为牛顿粘性流体,考虑到射流速度高(一般为紊流流动),采用涡粘性模型,忽略重力,将流体流动视为不可压缩的稳态流动,得到了在所述假设条件下的稳态等效紊流微分方程,并按照普遍流体力学原理,采用奇异摄动法,得到了等效流体即两相流体圆孔自由紊流的射流边界层微分方程即圆孔自由紊流磨料射流的微分方程。分别采用相似性解法和动量积分法对上述磨料射流微分方程进行求解,得到了该射流断面上轴向流速沿轴线的变化规律和射流半径沿轴线的变化规律,为分析磨料射流对材料表面上的冲击作用提供了基础。研究表明,套管在磨料射流作用下的破坏主要是磨料射流对材料断续的高速冲击施加的脉冲载荷,而水流的连续冲击只在材料继续破坏过程中发挥作用。因而得以大幅度降低射流工作压力进行切割。材料表面受到颗粒冲击产生的接触压力形成接触剪应力,以及在接触边界上产生径向拉应力。岩层在射流作用下的破坏是射流向岩层接触受阻突然截止,产生水击压力,以波的形式向岩层传播,成为加载波。当水击压力瞬间消失时,又产生卸载波,岩层在应力卸载波作用下产生拉应力而破坏。作用于金属套管内表面上的射流可以视为自由淹没射流。磨料颗粒以等效流体射流相同的速度冲击金属套管。金属材料一般抗拉、抗压强度相等,远高于抗剪强度。因而磨料颗粒撞击金属套管时,与套管表面接触形成的接触剪应力超过接触剪切强度而产生破坏,按照弹性力学接触问题的理论,建立含有水力参数、磨料参数、切割参数及套管材料参数在内的金属套管磨料射流切割方程式,可用以研究各参数变化对磨料射流切割金属套管的影响,确定磨料射流处理近井岩层损伤的切割工艺参数。对于其它金属材料,磨料射流切割也有一定的参考意义。在井下,对岩石切割是磨料射流在金属套管切割形成的缝中以及在已切割形成的岩层缝中继续对岩石进行冲击。射流流动不仅要受金属套管切口的影响,而且射流在底部和两侧又受到岩层固壁的影响,因而不能视为自由射流。在此条件下建立了磨料射流流体流动的微分方程,采用量纲分析方法进行求解,得到了射流最大轴向流速沿射流方向的变化规律及射流半宽沿射流方向的分布规律。由岩石力学可知岩石的抗拉能力远小于抗压、抗剪能力,同时根据弹塑性动力学中应力波理论求得了卸载波产生的最大拉应力。当卸载波产生的最大拉应力超过岩石的抗拉强度而发生破坏,同时建立了水力参数、磨料参数、切割参数和岩石物理性质在内的磨料射流切割岩石的方程式,可用以研究各参数对磨料射流对岩石进行切割的影响。为处理近井地层,确定切割工艺参数提供依据。根据对磨料射流近井处理进行的地面模拟实验,实验结果与本文所建立的理论计算结果基本相符,因此本文所建立的理论可用于工程实际。最后,根据本文建立的磨料射流切割金属套管和岩层的理论计算公式结合地面模拟试验,对近井地层处理作业时,磨料射流切割工艺参数的选择和确定进行了论述。