我国页岩气资源丰富,加快其开发进程,对于缓解能源供应压力、优化能源结构具有重大意义。我国页岩气开发取得了阶段性成果,发展前景广阔,但页岩气井多级压裂过程中,出现了严重的套管变形问题,制约了我国页岩气高效开发进程。因此,亟需明确其失效机理,为井筒完整性控制提供理论基础。基于此,本文开展了多级压裂条件下页岩气井套管变形机理分析与试验研究。主要研究成果如下:1.页岩气井多级压裂下井筒组合体受力分析开展水泥浆候凝室内实验,确定了水泥浆候凝后套管-水泥环界面初始应力值,并拟合了井筒界面初始应力计算经验公式。基于多层组合厚壁圆筒理论,建立了综合考虑水泥浆候凝作用、温压耦合作用的套管-水泥环-地层组合体弹塑性力学模型,揭示了多因素作用下水泥环拉伸失效机理。基于稳态传热理论与叠加原理,进一步建立了天然裂缝诱导应力作用下的井筒组合体应力计算模型,研究了压裂液进入天然裂缝前后套管应力变化规律。结果表明:提高候凝环空压力、使用弹性水泥浆体系有利于降低水泥环拉伸失效风险。压裂液进入天然裂缝使套管外壁径向应力与周向应力均大幅增加,其外挤屈服失效风险变大。2.页岩储层多级压裂对地层压力及断层状态的影响现场数据统计表明,水力压裂诱发的断层滑移是导致套管变形的主控因素。基于物质守恒与达西定律,建立了耦合基质-天然裂缝-水力裂缝-断层渗流特征的近井筒页岩储层地层压力传导模型,并应用拉普拉斯变换方法与镜像原理进行了解析求解,研究了多级压裂下地层压力演变规律及断层状态变化。结果表明:受滞留压裂液的影响,压裂段重叠处地层压力明显过高。水力裂缝直接沟通断层、或未沟通但引起地层压力剧烈变化,均可触发断层活化。“少段多簇”、合理调整压裂液粘度等能有效缓解地层压力极端分布,降低断层活化几率。3.断层滑移模型及套管剪切变形量计算方法基于断裂力学理论,推导了水力裂缝触发断层活化时的断层滑移量计算公式。基于应力降理论,建立了地层压力变化诱发断层滑移时的动态滑移模型,并应用位移不连续与显式-隐式耦合迭代方法求解,揭示了断层滑移过程中有效正应力、剪应力、摩擦系数与滑移速度的关系。进一步,利用静力学平衡理论,分析了断层动态滑移剪切套管变形的微观过程,提出了断层滑移下套管变形量表征方法。4.多级循环载荷及剪切载荷下套管变形试验与套管优选改进了全尺寸“套管-水泥环-模拟地层”组合井筒条件下套管变形实时监测试验装置,开展了多级循环内压载荷下套管微变形试验,发现了循环载荷下套管存在塑性累积的微变形特征,研究了套管微变形后抗挤、抗剪性能变化规律。开展了全尺寸套管剪切变形数值仿真试验,评价了剪切载荷下不同类型套管的抗变形能力。提出了利用套管变形量反演地层剪切载荷进而优选邻井套管的工程方法。