油气井管柱是用于形成油气井并在油气井中作业的装备,是钻井介质和油气传输以及动力传递的唯一通道。油气井管柱在充满流体的狭长井筒内工作,要承受拉压、钻井介质内外压力、弯矩、扭矩等静载荷,还要承受振动以与井壁摩擦碰撞产生的各种冲击等动载荷,同时由于钻井液以及井内产生的腐蚀介质等使得管柱受到严重的腐蚀,使管柱成为钻井设备中最薄弱的环节。另外在制造和使用过程中容易造成管柱的各种表面损伤,形成裂纹源;在复杂的载荷和腐蚀环境下,会导致裂纹的不断扩展直至管柱发生断裂失效。国内外学者对油气井管柱的失效进行了大量的研究,但主要集中在管柱的失效原因、强度、结构改进等方面,对于含裂纹管柱及其自身材料在抵抗裂纹扩展方面的断裂特性研究较少。S135钻杆钢和连续油管用钢是制造石油管柱常用的高强度和高韧性材料,它们的断裂性能直接影响管柱在钻采作业中承受复杂载荷时抵抗裂纹萌发和扩展的能力。因此对S135钻杆钢和连续油管材料建立一种的有效断裂损伤模型对石油管柱的断裂特性评估和工程应用有着重要的促进作用。近年来,内聚区模型已发展成为一种研究材料断裂失效的简单有效模型,并被应用于金属韧性断裂的模拟和分析。本文将结合S135钻杆钢和连续油管材料的材料特性试验,采用基于改进LM算法的反演分析确定它们的最优内聚区模型,并利用建立的连续油管内聚区模型对含裂纹连续油管在井筒中受拉和缠绕滚筒过程中的断裂特性进行研究,为含缺陷油气井管柱的安全性评估提供依据和借鉴。本文的主要研究工作如下:1.结合材料性能试验与数值计算结果,采用改进LM优化算法建立确定材料最优内聚区模型的反演分析方法;2.根据S135钻杆钢的拉伸试验和紧凑拉伸断裂试验,采用反演分析法对适用于金属韧性断裂描述的5种内聚区模型进行研究,确定其最优内聚参数;为油气井管柱的断裂损伤模型的建立提供依据和借鉴;3.针对连续油管壁薄管径小的特点,设计了连续油管的弧形断裂试样并对其进行了拉伸断裂试验;并结合断裂试验的结果和数值计算结果,利用反演分析法确定连续油管用钢的最优内聚区模型;4.使用建立的连续油管内聚区模型对含穿透裂纹和表面裂纹的连续油管在井筒中受拉、以及含表面裂纹连续油管缠绕滚筒时的韧性断裂特性进行研究;得到了油管在轴向极限拉力作用发生整体断裂时的临界穿透裂纹形状;并确定了表面裂纹起裂时临界加载力,为含缺陷连续油管的安全性评估提供依据。