油气井钻井过程中先下入的技术套管具有封隔异常压力地层、防止井壁坍塌的作用。后续钻进过程中,钻杆与套管内表面在一定正压力下滑动接触导致套管磨损。磨损套管壁厚减薄,承载能力降低,安全性风险加大。尤其在粘弹性围岩中,非均匀地应力作用下磨损套管更容易丧失稳定性而失效。为此,本文进行了套管试样磨损试验研究,深入考察了套管磨损的影响因素和磨损机理,建立了计算套管磨损程度的模型;建立了新的粘弹性围岩中套管围压分析力学模型,得到了可压缩粘弹性围岩中套管围压的计算方法;提出了新的磨损套管剩余抗挤毁和抗内压强度计算方法和稳定性准则;研制了一种新的磨损套管周向应变测试装置,实测了磨损套管试样周向应变,验证了磨损套管强度计算时模型简化的合理性。主要工作如下:(1)套管磨损试验研究:本文全面分析了套管钢级、正压力、重晶石粒度、泥浆类型、含砂量和密度对套管磨损性能的影响,确定了不同试验条件下套管试样表面的磨损机理,采用能量效率模型计算了磨损套管的剩余壁厚。套管磨损系数同钢级、硬度成反比,与摩擦副间正压力、泥浆密度和含砂量成正比。相同工况下,N80套管的磨损系数是VM140套管的2.4倍。泥浆密度2.0 g/cm~3条件下VM140套管的磨损系数是1.4 g/cm~3密度下的2.3倍。由扫描电镜图片可见各工况条件下套管试样磨损表面主要为黏着磨损,采用基于黏着磨损机理的能量效率模型计算套管剩余壁厚是可行的。本文提出了一种新的冲击-滑动-磨粒磨损模型。根据本文磨损试验测得的井下套管材料磨损系数和摩擦系数,以及油田提供的钻井参数,计算了某实例井段套管的剩余壁厚。磨损套管的剩余壁厚是井下套管失效分析的基础数据。(2)可压缩粘弹性围岩中套管围压分析:本文考虑粘弹性围岩和水泥石环的可压缩性,建立了一种新的包含套管、水泥石环和围岩的套管围压分析力学模型,采用弹性-粘弹性相应原理计算了可压缩粘弹性围岩中套管的围压,分析了围岩和水泥石环的几何和物理参数对套管围压的影响。明确指出可压缩粘弹性围岩和水泥石环中套管围压稳定值比围岩和水泥石环不可压缩情况下的大11%。不考虑粘弹性围岩和水泥石环的可压缩性会低估套管所受围压。以此为磨损套管所受载荷评价井下套管是否失效是危险的。(3)内压和外压作用下磨损套管剩余强度分析:通过简化钻杆嵌入式磨损模型为非同心圆磨损模型、确定正交曲线坐标下的应力函数、应用叠加原理,本文得到了内压和外压作用下磨损套管应力分布,提出了一种新的磨损套管剩余强度计算方法。非同心圆磨损模型套管周向应力解析解答与有限元模型得到的数值解答基本相同。本文公式计算的磨损套管抗内压和抗挤毁强度理论解和试验值之间的相对误差分别小于9%和7.5%。采用本文公式计算磨损套管抗挤毁和抗内压强度是可行的。根据本文公式确定了某井段磨损套管的剩余强度、可替泥浆密度、井口允许加压和井筒允许掏空深度等参数,保证了试油完井作业的顺利进行和井下磨损套管的安全。(4)非均匀外压作用下磨损套管稳定性分析:本文建立了新的非均匀外压作用下具有初始椭圆度的磨损套管稳定性分析力学模型,得出了非均匀外压作用下磨损套管径向变形的非线性微分方程。将壁厚非均匀度和外压非均匀度作为小参数,本文采用小参数展开法将磨损套管径向变形非线性微分方程线性化并求解,得到了非均匀外压作用下磨损套管径向变形和相对应变的计算公式。通过与未磨损套管静水外压下临界相对应变比较,本文建立了一种新的判断磨损套管失效的稳定性准则。磨损套管失稳临界相对应变与套管外径成反比,与壁厚成正比,与椭圆度和外压非均匀性无关。磨损套管失稳相对应变与初始椭圆度和磨损深度是线性关系,与外压非均匀性是抛物线关系。(5)磨损套管周向应变试验研究:本文研制了一种新的磨损套管周向应变测量装置,设计并加工了非同心圆和钻杆嵌入式磨损套管试样,实测了磨损套管表面周向应变,对比分析了套管试样周向应变解析解和数值解。未磨损套管周向应变解析解、数值解和试验值之间相差小于8%,说明套管周向应变试验值可靠、数值分析模型和周向应变解析解计算公式正确。两种磨损套管外表面周向应变的数值解和试验值之间相差分别小于5.3%和1.8%。磨损深度较小的非同心圆、90 mm和130 mm钻杆嵌入式磨损套管表面周向应变试验值相差分别小于8%和5%。通过磨损套管周向应变试验,本文验证了将钻杆嵌入式磨损简化为非同心圆磨损套管模型计算其抗挤毁和抗内压能力的合理性。