我国页岩气资源储量丰富,加快其商业化开发对缓解能源供应压力、优化能源结构具有战略意义。近年来,我国在页岩气勘探开发领域取得显著突破,产业化发展前景广阔。然而,页岩气藏水平井实施分段压裂作业时,套管结构失稳问题普遍存在。已成为制约储层改造效果与开发效率的关键瓶颈。为实现高效修井作业,亟需突破变形套管修复动力参数的精准预测技术,这要求系统开展套管整形机理研究与实验验证。但受限于全尺寸套管-整形器系统庞大的结构特征与复杂的运输条件,常规实验装置难以满足工程模拟需求。现有研究方法普遍存在操作复杂度高、实验可重复性差等问题,亟待确定变形套管整形过程力学响应特点。针对上述技术挑战,本文重点围绕以下方向开展研究: (1)本研究结合曲梁力学和厚壁圆筒理论,构建了套管整形力的双理论分析体系:基于曲梁理论的解析模型和厚壁筒理论的预测模型。通过有限元仿真及室内实验的交叉验证,完成了两种模型的可靠性评估与模型优选。揭示了单次进给量、管-工具摩擦系数、胀管器工作锥角等关键参数对整形力的影响规律,定量表征了几何-力学耦合作用下各参数的临界阈值与交互影响机制。 (2)基于弹塑性理论、动态Hertz接触力学及高阶滑移线场理论,建立了旋压滚珠式套管整形器修复力的多物理场耦合解析模型。通过解析修复过程中套管塑性铰区在非对称接触载荷下的渐进屈服行为,构建了包含应变强化效应与接触滑移特征的整形域多维应力场重构模型,实现了弹塑性变形能与接触力学参数的动态耦合表征。 (3)基于相似理论,构建了含缺陷套管-梨形胀管器系统的缩尺实验模型,推导了模型与原型之间的相似关系,确定了模型的关键参数值。采用增材制造技术复现缩尺试件,开展了无水泥环工况下套管椭圆变形的整形修复全流程物理模拟实验。通过对比分析实验数据、理论模型计算结果及有限元模拟结果,验证了理论模型和有限元模型的准确性与可靠性,为井下工具结构优化提供了跨尺度实验设计方法支撑。