页岩气作为清洁能源,对于缓解我国天然气供应、改善环境问题具有重要的战略意义。随着勘探开发的不断深入,页岩气正成为我国石油行业新的增长点。近年来,我国及国外的诸多页岩气井在多级压裂过程中,出现了严重的套管变形问题,部分区块的套管变形比例高达40%,导致压裂施工无法顺利开展、单井产量不高。目前,页岩气井套管变形机理不清,防治措施没有针对性,极大地阻碍了页岩气的高校开发进程。因此,开展页岩气井压裂过程中套管变形机理研究,明确其主控因素,提出科学合理的防治措施,对于中国页岩气的高效开发具有重要的意义。针对页岩气压裂井出现的套管变形问题,本文主要开展了以下研究工作:建立了消除地层初始应变影响的页岩气压裂井温度-压力耦合条件下井筒载荷解析新模型,克服了原模型不满足实际远场位移边界条件的不足,与数值计算结果吻合较好。开展了水泥环参数、地应力、压裂施工参数和套管尺寸等参数对套管载荷影响的研究,对比分析了两种模型在套管载荷预测方面的差异。结果表明:在高弹性模量、低泊松比和不均匀地应力的地层中,原模型计算结果相对于本文模型会低估套管载荷。考虑压裂过程中大排量压裂施工导致井底温度动态变化的特点,建立了温度场差分计算模型,研究了压裂施工排量对井筒瞬态温度场的影响规律。考虑环空流体物性随温度动态变化规律和地层初始应力应变状态,结合页岩各向异性和浸水力学实验结果,采用阶段有限元方法,建立了各向异性地层-水泥环-套管组合体瞬态温度-压力耦合条件下的数值新模型,开展了多级压裂过程中套管载荷动态变化规律研究。研究表明:大排量施工时井筒温度会在短时间内迅速降低;排量越大,井底温度降低幅度越大;高施工压力、地层岩性界面、页岩刚度退化会显著增加套管载荷;环空水泥窜槽缺失时,井筒温度降低导致环空流体产生剧烈压降,套管受力状态异常复杂,随着压裂级数的增加,套管变形风险会大大增加。基于压裂过程中微地震信号时空分布特征和震级-频度关系,提出了套管变形处断层滑动的识别方法。基于震源机制原理,建立了震源和断层参数与套管变形量的关系模型,开展了断层滑动条件下套管变形数值模拟。研究了多级压裂过程中,断层与井眼夹角、压裂施工参数、水泥环性质和套管尺寸等参数对套管变形的影响规律。结果表明:微地震信号异常,与井眼斜交,b值小于1,都表明断层激活而出现滑动;套管应力和变形量随微地震震级增加呈指数级增长;断层刚度越小、应力降越大,则断层滑移距离越大,套管应力和变形量会迅速增加;减小井眼与断层夹角、降低水泥环弹性模量、使用小直径和低径厚比套管可有效降低套管变形的风险。开展了页岩岩心高压浸水力学性质动态变化实验,基于Weibull统计分布,建立了考虑时间效应的页岩统计损伤本构模型。基于尖点突变理论,结合实验结果,建立了断层-围岩系统失稳模型,推导了系统失稳的临界条件和位移突变量。对比分析了中国和加拿大地区页岩气井多级压裂过程中压裂施工过程,明确了压裂施工产生断层滑动与套管变形的关系。研究表明:页岩浸水后弹性模量降低,泊松比增加,断层-围岩系统失稳风险随之增加;压裂过程中,若围岩刚度与弱化断层面的等效刚度之比小于m,则断层系统会产生突变而发生滑动。当井眼穿越滑动区域时,压裂时套管极易出现变形失效。通过本文研究,建立了页岩气井压裂过程中多种复杂条件下的套管载荷评价模型,梳理了导致套管变形的主控因素,提出了相应的控制措施。研究结果可为我国页岩气井井筒完整性控制问题的解决提供参考。