剪切旋流振动固井技术通过循环固井液带动井下偏心叶栅固井工具旋转,使得套管绕井眼轴线高速偏心公转,对环空流体产生强烈的搅动作用,使其处于剪切紊流状态。关于偏心环空流动问题的研究人们已经做了大量工作,研究的流动类型包括偏心环空Poiseuille流、Couette流、螺旋流和内管做行星运动的环空中流体的流动,而对于内管偏心公转条件下环空剪切紊流的研究尚未开展,该条件下环空剪切紊流提高机理固井质量尚不明确,并且偏心公转条件下环空剪切紊流流场对井壁和套管柱振动稳定性产生不利影响,危害振动固井安全。针对以上问题,本文进行了基于套管偏心公转环空剪切紊流提高固井质量研究。根据惯性直角坐标和运动直角坐标以及直角坐标和双极坐标的转化关系,基于时间平均法并采用k-ε紊流模型,建立了运动双极坐标系下基于套管偏心公转环空剪切紊流的数学模型,并推导了考虑壁面粗糙度影响的壁面剪应力计算公式。采用有限体积法对该数学模型进行求解,得到了环空剪切紊流特性参数的分布,提出了表征流体不稳定性的数学模型及其形成条件。在此基础上分析了套管偏心公转作用下固井质量的提高机理,一方面,基于泥沙起动理论,提出了泥饼活化机理,考虑密实度、流体粘性和压差的影响建立了泥饼活化的临界剪应力模型,计算并分析了套管偏心公转条件下环空壁面剪应力对泥饼的影响;另一方面,通过室内试验研究了振动对钻井液和水泥浆静切力的影响,分析了流体性能改善提高固井质量的机理,并通过建立套管偏心距计算模型得到了井下偏心叶栅的作用距离,即性能改善的流体范围。此外,建立了考虑振动压力影响的井周应力计算模型,改进紊流摩擦耦合并考虑泊松耦合,建立了以振动压力为驱动的套管耦合振动模型,以保证固井安全为目标优化了固井施工参数和井下偏心叶栅结构参数以及套管柱结构。本文通过建立运动双极坐标系下基于套管偏心公转环空剪切紊流的数学模型,丰富了偏心环空流动问题的研究,完善了其提高固井质量机理,优化了固井施工参数和井下偏心叶栅结构参数以及套管柱结构,为振动固井的优化设计提供了理论依据。