高能气体压裂系统关键因素理论研究的欠缺,严重限制了该技术在油田的进一步推广。论文首先对高能气体压裂过程中的火药爆燃加载、压挡液柱运动、裂缝动态延伸三个主要模块进行了动力学模型和相应求解方法的研究。其中火药爆燃加载模型是在火药燃速模型的基础上,综合气体状态方程、质量守恒方程、能量守恒方程而建立的;压挡液柱运动模型是假设了火药燃气与压挡液之间存在完全接触界面,由连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程组成,可考虑液柱的动能分布和管柱摩擦作用的影响;裂缝动态延伸模型是在现有理论的基础上,利用质量守恒和能量守恒理论耦合了孔眼泄流、缝内流体压力分布、缝壁渗漏、裂缝延伸判据和裂缝形态计算五个子模型而组建的。同时论文在完善了考虑井筒内压影响的套管射孔井周围应力分布模型的基础上,分别利用理论推导和岩石冲击破坏实验,得出了可保障套管安全和顺利压开油层的极限压力计算模型,为高能气体压裂各子系统间的耦合提供了衔接条件。其中套管安全校核模型考虑了套管受压过程中壁面径向位移和射孔孔眼的影响,而强动载下岩石破裂压力模型是利用“岩石动态损伤模拟实验装置”直接对小型模拟井眼进行高能气体压裂加载条件下的冲击破岩实验,回归得出其与加载速率、静载下破裂压力间的高精度计算相关式。在建立和完善了高能气体压裂过程中三个子系统模型及其衔接条件的基础上,建立了由各子系统中压力、温度为主线变量的质量守恒方程和能量守恒方程,再结合各子模型的求解方法,研究了高能气体压裂全过程的耦合求解技术,并进行了应用软件的研制。据此既可定量计算合理的装药量范围,也可对高能气体压裂的爆燃压力、裂缝形态进行定量动态预测;并以此为基础,研究了高能气体压裂中各子系统自身的动态变化规律以及装药结构、装药质量、压挡液高度、射孔密度、射孔孔径五个关键参数对压裂效果的影响敏感性。最后通过对高能气体压裂现场井的工艺参数优化设计和措施效果分析,结果表明论文所建立的高能气体压裂系统动力学模型和相关应用软件具有较强适用性和准确性,可为该技术的进一步推广提供一定的理论支持。