随着常规石油资源的不断减少及世界对石油需求量的不断加大,含有较大储量的稠油、超稠油资源越来越受到重视。稠油中由于含有大量的重质组分,粘度高、流动性差,严重地制约了稠油的高效开发和输送。因此,如何有效降低稠油的粘度、改善其流动性已成为世界性的难题。传统的稠油降粘方法如加热、掺稀油、加降粘剂、催化裂化等方法存在成本高、工艺复杂及后处理困难等诸多不足,必须通过理论和技术创新加以解决。空化是流体流动过程中局部压力低于饱和蒸气压力时出现的空化泡形成、发展、溃灭的现象,空化泡溃灭能够产生巨大的冲击破坏作用。空化射流就是人为地诱导在射流中产生许多空化泡、利用空化泡溃灭产生的巨大冲击力来增强射流作用效果的射流形式。空化射流稠油降粘的指导思想就是利用空化射流中空化泡溃灭产生的高温高压的极端条件使稠油分子发生开环、断链等降低稠油高分子的反应,实现稠油改质降粘的目的。空化射流稠油降粘技术可以在温和的条件下实现稠油降粘,对设备要求低,后续处理简单,具有明显的技术发展潜力。本文依据空泡动力学理论,采用考虑液体粘度、表面张力和可压缩性的Gilmore方程,以孔板水力空化器为模型,求解了稠油中空化泡的动力学方程,对稠油流经空化器的过程中空化泡的演变过程进行了模拟研究。以模拟结果为基础,结合空泡内气体状态方程,计算了空化泡在溃灭时的溃灭压力和溃灭温度,分析了稠油分子在该条件下可能会发生的热裂解反应。结果表明:稠油在流经空化器的过程中,随着周围流体压力的变化,空化泡经历了形成、膨胀、收缩、溃灭的过程,并在溃灭时产生局部高温和高压环境;稠油中初始空化泡半径、喷嘴入口压力、出口恢复压力等参数对空化泡的形态、溃灭压力和溃灭温度有着明显的影响。初始空化泡半径越小、入口压力越大,空化泡溃灭压力就越大、溃灭温度就越高;溃灭温度和溃灭压力随着出口恢复压力的增大先增大后逐渐减小。空化喷嘴是进行空化射流稠油降粘实验的关键部件,为了保证空化射流稠油降粘效果,建立了相关的数学和物理模型,分析了稠油流体在四种不同类型空化喷嘴内外流场的流动状态,从而对空化喷嘴进行优化设计。通过分析稠油流体在喷嘴内外流场中的速度场、压力场和气泡含量分布比较了空化喷嘴的空化效果,优选出了适合稠油降粘实验使用的风琴管空化喷嘴,并以此为基础,对风琴管空化喷嘴的结构尺寸进行了数值模拟验证和结构优化,并以优化后的喷嘴结构为基础,对水力参数、稠油粘度等影响空化射流和空化效果的规律进行了模拟研究。研究结果表明:稠油在经过空化喷嘴后可以产生空化射流,喷嘴的入口压力越大、围压越小,产生的空化泡范围越大,空化效果越好;稠油粘度越大,空化泡膨胀过程越短,越难产生空化,但溃灭时产生的作用越大。在理论研究基础上,专门设计并研制了空化射流稠油降粘室内实验系统,并利用该实验系统和设计加工的空化喷嘴,开展了空化射流稠油降粘实验研究,研究了喷嘴类型、稠油粘度、喷嘴入口压力、供氢剂添加量、水添加量等因素对稠油降粘效果的影响。实验结果表明:本文设计的风琴管空化喷嘴具有较好的稠油降粘效果,两种油田稠油处理后降粘率分别达到73.85%和85.60%,且稠油粘度越大,空化射流处理后的降粘效果越好;喷嘴入口压力越大,稠油降粘效果越好;在空化射流处理稠油过程中加入供氢剂,通过产生氢自由基来防止断链形成的活性碎片相互结合,从而降低稠油分子量,更有利于提高稠油的降粘效果;水的粘滞系数小,加水后能够提高空化射流的强度,有利于提高稠油降粘效果,但当水的添加量超过一定比例（例如30%）时,会出现严重的乳化现象,不利于稠油的后续处理。经过空化射流处理后的稠油经过长时间静置后粘度略有升高,但仍远低于处理前的稠油粘度,表明空化射流技术能够不可逆的降低稠油粘度,满足稠油长距离输送的要求。利用现代化学测试和分析手段对空化射流处理前后的稠油组分和分子结构进行了分析,研究了稠油处理前后在粘度、四组分、平均相对分子质量、全烃分布、官能团等组分和分子结构发生的变化。结果表明:空化射流处理后的稠油粘度明显降低,平均相对分子质量减小;处理后的稠油中的重质组分含量降低,轻质组分含量增加（沥青质和胶质含量降低、芳香分和饱和分含量增加,小于等于C20的烃含量增加、大于C20的烃含量降低）,并发生了部分脱甲基、脱乙基、脱杂原子等反应。综合理论分析和实验结果表明:空化射流中空化泡溃灭产生的瞬间高温高压对稠油中的大分子胶体结构造成了巨大的破坏作用,结合空化射流产生的机械剪切作用、热解作用、自由基氧化作用、超临界水氧化作用使部分稠油大分子中的长链C-C键、芳香环侧链C-C键发生断裂,并使键能较低的C-S、C-N等杂原子化学键发生断裂,形成小分子活性碎片,此时再加以供氢剂,其供氢作用可使产生的活性碎片形成稳定的小分子,减小了稠油的分子量,降低了稠油分子间的范德华力和氢键作用,同时由于空化产生的高温效应也使稠油体系温度升高,分子热运动加剧,稠油的缔合结构变松散,从而降低了稠油粘度。本文综合运用了理论分析、数值模拟和实验研究的方法,分析了稠油中空化泡的形成、发展和溃灭过程,对空化喷嘴的结构进行了优化设计,并针对性地设计和研制了空化射流稠油降粘室内实验系统,进行了空化射流稠油降粘实验研究,初步揭示了空化射流稠油降粘的作用机理,验证了空化射流技术进行稠油降粘的可行性,为空化射流稠油降粘技术的发展提供了理论和基础性技术支持。