随着页岩油资源的加速开发,管柱在复杂服役环境中的力学性能评估日益重要。本研究通过选用N80Q钢管柱材料为研究对象,基于引入耦合损伤的Chaboche粘塑性本构模型,结合ABAQUS平台开发UMAT和UAMP用户子程序,通过模拟分析和试验装置验证,提出一种集数值模拟与虚拟传感于一体的智能评估方法。该方法可实现对管柱服役过程中应力、应变等关键性能指标的实时监测与预测,提升评估精度并降低试验成本,具有重要的理论指导和实践意义。本文的主要研究内容和结论如下: (1)通过分析页岩油井管柱材料复杂服役环境常见的本构模型,选择适用于页岩油井管柱材料N80Q的Chaboche耦合损伤粘塑性本构模型进行研究。该模型通过引入损伤变量,能够更精确地描述材料各种复杂工况以及循环载荷等管柱服役条件下的力学行为,克服了传统有限元模型在描述形变、损伤与循环软化相互作用中的不足。对耦合损伤Chaboche模型的基础上进一步探讨了应力分解、屈服准则、硬化准则、损伤演化准则等关键因素,提出了修正后的应力和塑性应变率公式,特别是在描述页岩油井管柱材料N80Q的力学性能时,修正项的引入能够更好地适应更复杂的服役环境。 (2)研究ABAQUS有限元平台中UMAT与UAMP用户子程序在页岩油井管柱服役性能评估中的应用方法与实现路径。针对UMAT子程序,重点阐述了其在实现自定义本构模型过程中的关键步骤,包括自定义材料本构模型、计算应力和应变增量的过程,以及如何通过FORTRAN语言编写和集成该子程序进行了研究探讨。接着对UAMP子程序的功能和应用,特别是在处理动态载荷和边界条件的时间依赖性变化方面。使用UAMP子程序优势在于,管柱在交变载荷下的疲劳行为与寿命分析加载更加精确,并能够根据实时分析动态调整载荷幅值,增强了模型的边界条件赋予的灵活性。 (3)在低成熟度页岩油开采的初始阶段,通常需对地层进行长时间加热以促进资源释放,该过程可能引发套管的热应力积累甚至结构损伤。本文通过建立N80Q套管的传热分析有限元模型,结合ABAQUS软件中UMAT子程序编写的耦合损伤Chaboche材料本构模型进行材料赋予,分析了套管在不同温度下的温度场、应力、应变随时间的变化规律。通过UAMP子程序的传感器功能,结合Python软件的实现可视化功能,进行套管在温度变化下的位移监测,为实际工程中套管的服役状态提供了可靠的监控手段。仿 真结果表明:在注汽阶段,套管内外壁温差逐渐增大,温度持续上升;进入焖井阶段后,温度变化速率减缓,内外壁温差趋于稳定,表明热交换达到了平衡。通过分析应力和应变随时间的变化,发现套管在注汽阶段应力迅速增长但未超过屈服强度,内壁应变大于外壁;进入焖井阶段后,应力略微下降,应变增速减缓并趋于稳定,表明变形达到平衡状态。位移监测结果显示,水泥环与套管之间的摩擦力限制了外壁位移,内壁相对外壁位移较大,且内外壁位移在焖井阶段后期稳定。 (4)页岩油水平井套管在入井尤其通过造斜段时,下入速度的变化会显著影响其力学行为,速度过快或过慢均可能诱发套管失稳甚至发生破坏。结合相似理论,基于自行搭建的室内水平井动力学试验装置,模拟测试了套管分别以0.05 m/s、0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s速度入井时与井壁之间的作用力大小。同时,通过建立水平井套管和井眼的有限元分析模型,计算分析了入井整个过程中套管位移与井壁间相互作用的应力分布规律。研究分析结果表明套管按照以上4个速度入井时,均可安全通过造斜段;以速度为0.05 m/s入井时,套管与井壁之间的接触力非均匀分布状态随下入深度最为稳定,摩擦力较大的区域主要集中在造斜段。最后,通过比较0.05 m/s下入速度的套管接触力分布结果,结合UAMP用户子程序摩擦力传感器功能仿真结果,与室内试验装置造斜段6个测试点和水平段4个测试点力学传感器输出的管壁接触力进行对比。有限元分析结果在造斜段总体高于试验所测的结果,而在水平段的4个测点均略低于试验所测结果。整体上,有限元分析结果在20%的偏差内与试验测得结果相同,验证了有限元仿真分析结果的可靠性。