注水和水力压裂在油气藏生产过程中被广泛使用,可以有效地提高产能。注水就是向地层中注入大量的水,以保持和增加地层压力,驱动地层中的油气资源流入生产井。长期注水会冲蚀近井筒区域的岩石,形成孔洞,威胁井筒的安全。水力压裂是采用较大压力向井筒附近的初始裂缝中注入大量压裂液,将岩石逐渐撑开并形成水力主裂缝并在地层中延伸,压裂过程中裂尖的应力场会改变周围的地应力,影响天然微裂缝的开裂,改变地层渗透率。研究注水和压裂过程中地层的物性演化规律可以为油气田的施工设计提供理论指导,具有重要的工程意义。长期注水会冲蚀地层岩石,在近井筒区域形成孔洞,本文研究了注水孔洞的形成和生长机理。为了描述这个问题,建立了一个考虑水的流动、地层岩石变形和岩石冲蚀作用的多物理场耦合模型。通过对非均匀孔隙度模型进行研究,发现初始的孔隙度分布对孔洞的几何形态有重要的影响,决定了孔洞的生长方向。研究了冲蚀系数、流体流量、流速和注水压力对孔洞形成和演化的影响,结果表明这些参数只影响注水孔洞的面积,而对其几何形态无影响。此外,多射孔之间由于达西流动可能存在的相互作用对孔洞生长有重要的影响。通过模拟不同长度和夹角的双射孔模型,发现孔洞更容易在长射孔尖端形成,短射孔尖端的孔洞生长被抑制：随着两个射孔之间夹角的增加,射孔尖端的孔洞面积增加,而井筒周围的孔洞生长被抑制。在长期注水过程中为了修复注水对地层孔隙的伤害,通常要进行洗井。洗井需要降低注水井的井底压力,注水井长期循环的升压降压过程会导致岩石的破坏。本文研究了长期循环注水和洗井工况下井筒周围岩石的破坏和冲蚀孔洞之间的相互影响。在注水冲蚀模型中,引入了岩石的塑性破坏对冲蚀作用的影响,建立了考虑岩石的弹塑性变形和破坏、水的流动和冲蚀作用的多场耦合模型。通过对一系列模拟结果的分析发现,在洗井过程中,井筒周围和射孔尖端区域的应力集中容易引起岩石的破坏。在洗井过程中主要发生岩石的塑性破坏,而长期注水过程则主要是冲蚀作用,不会形成新的应力破坏,两个过程相互交替促使孔洞不断向外生长。研究了洗井压力对岩石破坏的影响,结果表明随着洗井压力的降低,岩石的破坏区域和孔洞急剧增大,严重威胁井筒安全。通过控制注水的水质、提高井筒和岩石的粘结强度、改善工艺适当提高洗井压力等措施可抑制岩石的破坏和井筒周围孔洞的生长。研究结果可以加深工程师对于洗井导致井筒安全问题的认识,为注水和洗井设计提供参考。水力压裂的施工过程会导致地应力的动态变化,诱导天然微裂缝的起裂,影响地层的渗透率。水力压裂会在地层主裂缝周围形成一些有效的改造区域,该区域内的渗透率提高,通常称为渗透增强区域。裂缝间距、排量、压裂顺序等压裂设计参数会极大地改变地应力,对渗透增强区域的形成和分布有重要影响。压裂施工的目标是获得经济高效的页岩气产量,本文希望建立水力压裂裂缝扩展与页岩气产量预测之间的联系。首先通过水力压裂模拟计算裂缝的扩展过程以及对地层渗透增强区域的影响,然后通过压裂后的渗透增强区域数据建模对裂缝系统页岩气产量进行评估。通过这个模型研究了微裂缝粘聚力、缝间距、压裂排量和压裂顺序的影响,结果表明渗透增强区域主要分布在裂缝的尖端和周围。连通的渗透增强区域可以为页岩气流入井筒提供高速的输运通道,可以有效提高产能。大排量压裂可以有效刺激地层,促进渗透增强区域的形成；增加压裂排量可以适当增加裂缝间距。采用适当的裂缝间距施工,同时压裂可以有效提高页岩气藏的产能；而当间距过大时,同时压裂和顺序压裂相比没有明显优势。本文研究了注水和水力压裂过程中地层的物性演化以及对生产的影响,建立了冲蚀孔洞模型和压裂产量预测模型。本文的研究方法和所得到的结果,可以为注水和水力压裂的优化设计提供了理论基础和技术支持。