近年来我国和世界上高产气井发生过一系列的重大事故,塔里木油田有许多高产气井发生管柱泄漏、断裂问题,造成了重大的经济损失。本文针对塔里木油田高产气井,在大量的国内外文献调研和塔里木油田现场油管柱失效统计分析的基础上,利用理论和数值模拟相结合的方法,开展了塔里木油田高产气井油管柱屈曲、振动以及含有腐蚀坑缺陷的失效机理研究,在此基础上提出了油管柱失效预防措施。取得的主要成果如下:(1)建立了高产气井中,封隔器与管柱活塞效应、鼓胀效应、温度效应以及螺旋弯曲效应和流体摩阻效应的力学数学模型,基于气体动力学理论,建立了油管柱中天然气流体动力学控制方程数学模型,为管柱屈曲问题分析提供了数学模型。(2)建立了油管柱横向振动、纵向振动以及油管柱固有频率的计算数学模型以及管柱瞬态振动的数学力学模型,可用于分析和研究管柱在交变载荷作用下位移、振动速度、振动加速度的变化,为高产气井中气体的诱发管柱振动以及油管柱耦联振动分析提供了数学模型,同时为塔里木油田高产气井油管柱潜在失效机理研究提供理论依据。(3)建立了高产气井井口到封隔器处油管柱屈曲和振动问题分析的有限元模型。通过对产气60-150万方研究可得出结论:随着产量的增加,油管底部轴向压力的增大,管柱屈曲逐渐加剧,油管由直线状态逐渐变为正弦屈曲,在高产150万方工况下,油管柱甚至螺旋屈曲状态,管柱的弯曲应力和轴向应力增大,油管与井壁的接触压力逐渐增大,接触点也逐渐增多,导致油管与井壁的摩擦力逐渐增大。(4)当底部轴向力为223kN(150万方)时,大于油管柱临界屈曲载荷172.94kN,接触压力最大值达到53kN,接触压力在接触段分布不均匀。在油套接触位置的顶部发生正弦屈曲,底部发生螺旋屈曲自锁现象。(5)利用弹性力学理论和有限元方法,建立了全井段油管柱振动的有限元模型,采用模态分析方法,考虑了封隔器的影响,研究了油管柱横向振动的模态及振型。采用瞬态动力响应分析方法,分析了油管柱不同位置的纵向振动位移、速度、加速度。得出油管柱纵向振动位移、速度、加速度呈周期性变化,在油管柱的中和点附近承受交变载荷的作用,可能导致油管柱疲劳失效。(6)根据对现场腐蚀失效井腐蚀坑形状的调研,建立了具有单个腐蚀坑和具有相邻腐蚀坑缺陷的油管柱模型,分析了腐蚀坑深度、腐蚀坑之间距离以及油管壁厚对油管损伤的影响。得出腐蚀坑深度越深、腐蚀坑之间距离越近、油管壁厚越小,腐蚀坑周围应力越大,甚至超过材料屈服应力,导致材料发生塑性变形甚至可能产生裂纹,引起管柱断裂。(7)基于以上对油管失效机理的研究,提出了油管柱失效预防措施,对比了不同材料和管柱结构对油管柱失效的影响。增加容易发生损伤段油管的壁厚;在油管底部加伸缩短节,降低油管柱底部轴向载荷;使用耐腐蚀的钛合金油管等,来预防油管柱的失效。为塔里木油田高产气井油管柱的安全提供技术支持和科学依据,对气井油管柱的合理设计和提高油管柱的使用寿命具有重要的意义。