无论是API 5C3还是最新的ISO 10400挤毁模型都不适合用于计算套管在非均匀载荷下的挤毁强度。截止目前,国际上也没有公认的非均匀载荷下套管抗挤强度计算标准,且非均匀载荷下套管力学特性及失效机理尚不够清楚,使得套管抗挤强度难以准确计算及预测,钻井过程中岩盐蠕变、岩层错动、滑移、地层出砂及大型酸化压裂等产生的非均匀载荷极易引发井下套管发生变形及失效,导致国内外大部分油气田套管整形修复工作量不断攀升。为准确预测整形工具修复变形套管所需的机械动力,减少井下卡钻等复杂事故,提高套管修复效率,迫切需要开展变形套管修复的理论和实验研究。为此,本文针对非均匀载荷下套管变形及挤毁失效的现状,采用理论分析、有限元模拟和室内实验三者相结合的方法,结合弹塑性理论、曲梁理论、Hertz接触理论及滑移线理论,对无水泥环和含水泥环套管非均匀挤毁变形规律、失效机理及其修复工作力学问题开展了系统研究,形成了变形套管修复的设计方法及系统评价整形工具修复无水泥环/水泥环变形套管效果的方法,为现场变形套管的修复提供了技术支撑。具体如下:(1)为满足非均匀载荷下套管的实际服役工况,本文基于弹性力学中的曲梁理论建立非均匀集中载荷下套管抗挤强度计算的力学模型,运用解超静定问题的位移法正则方程对该力学模型进行推导和求解,并用对应试验数据对其准确性及可靠性进行验证,该模型可用于预测套管在非均匀载荷下的抗挤强度。(2)基于弹塑性理论和Hertz接触理论及滑移线理论,建立计算旋压滚珠整形器修复变形套管所需整形力的理论力学模型,分析修复过程中套管变形部位单边受均布压力的屈服极限载荷,给出旋压滚珠整形器修复变形套管时整形区域应力场的计算模型,结合旋压滚珠整形器的结构特征及其修复力学特性确定整形力及钻压,并用对应有限元模拟结果及试验数据对其准确性及可靠性进行验证。(3)基于曲梁理论和厚壁筒理论,分别建立计算梨形胀管器修复变形套管所需整形力的理论力学模型,并利用有限元模拟结果和试验数据对力学模型进行优选和验证,分析单次整形量、摩擦系数、梨形胀管器的锥角和定径段长度对整形力的影响规律,结合梨形胀管器的结构特征及其修复力学特性确定整形力及钻压,形成一种变形套管轴向加载及周向变形的力学与动力学分析方法。(4)基于弹塑性理论,建立旋压滚珠整形器和梨形胀管器修复变形套管-水泥环-地层复合材料体系的三维有限元力学模型,模拟研究无水泥环变形套管和含水泥环变形套管的修复力学特性,分析修复过程中变形套管的应力应变规律及径向位移变化规律,计算修复变形套管所需的整形力及修复后变形套管的短轴位移(实际修复量)、长轴位移和套管回弹量,形成一种评价变形套管修复效果的有限元方法。(5)开展含水泥环套管和不含水泥环套管在非均匀集中载荷下的挤毁力学特性实验,测试研究套管在非均匀载荷下的强化特性、应力应变规律、径向位移变化规律及挤毁失效机理,分析水泥环对套管非均匀挤毁力学特性的影响规律,为变形套管修复测试研究提供理论支撑。(6)采用自主研发的套管修复测试装置及方法,开展旋压滚珠整形器修复含水泥环变形套管和不含水泥环变形套管的实验,测试研究旋压滚珠整形器修复变形套管的力学特性,分析有/无水泥环及其损伤程度对修复变形套管所需的整形力和扭矩、修复过程中套管的变形规律及修复后整形工具损伤的影响规律,计算旋压滚珠整形器修复无水泥环变形套管和含水泥环变形套管所需的整形力和扭矩、修复后变形套管的最终整形量和回弹量,评价整形前后旋压滚珠整形器和变形套管的力学特性,优化设计整形工具的结构参数,并利用实验数据验证套管修复的理论模型和有限元模型,形成一种评价旋压滚珠整形器修复效果的实验方法。(7)开展梨形胀管器修复含水泥环变形套管和不含水泥环变形套管的实验,测试研究梨形胀管器修复变形套管的力学特性,分析水泥环对修复变形套管所需的整形力、修复过程中套管的变形规律及修复后整形工具损伤的影响规律,计算梨形胀管器修复无水泥环变形套管和含水泥环变形套管所需的整形力、修复后变形套管的最终整形量和回弹量,评价整形前后梨形胀管器和变形套管的力学特性,利用实验数据验证和优选套管修复的理论模型和有限元模型,形成一种评价梨形胀管器修复效果的实验方法。本文建立的非均匀集中载荷下套管抗挤强度预测模型,其准确性和可靠性得到了试验数据的验证,可为复杂环境下套管强度设计提供理论参考;建立的旋压滚珠整形器和梨形胀管器修复变形套管所需整形力的理论及有限元力学模型,其准确性和可靠性得到了实验数据的验证,可用于预测变形套管修复所需的整形力及钻压和整形后套管的变形规律,对实际变形套管修复的参数设计具有重要参考价值;最后,基于理论分析、有限元模拟及室内实验形成了系统评价整形工具修复变形套管效果的方法。