分段压裂是非常规油气增产改造的关键技术,包括双封隔器分段压裂技术、射孔-桥塞联作分段压裂技术、多级滑套固井分段压裂技术、多封隔器滑套分段压裂技术以及连续油管水力喷射分段压裂技术等。其作业方式为大排量、高压力的压裂液通过井筒高频率地注入储层,作为输送压裂流体通道的分段压裂管柱和固井套管柱承受的热应力和内外压力变化剧烈,极易发生变形和失效;同时封隔器坐封失效和长水平段钻桥塞管柱托压等问题严重影响分段压裂施工作业的成败,因此,预测分段压裂作业管柱的力学状态对压裂施工安全作业具有十分重要的意义。然而目前对于分段压裂作业管柱力学分析的研究尚存在一定的局限性,简化过多且不系统,计算结果与实际还有较大差距。因此本文系统性地开展基于三维井眼轨迹的不同工况下全压裂周期的作业管柱力学分析研究,并用MATLAB编制了计算程序,研究结果对优化分段压裂作业管柱设计和保证压裂施工安全具有十分重要的意义。本文首先分析了不同分段压裂技术中的管柱结构和作业工况,并提出了自动更换喷嘴水力喷射分段压裂技术。将分段压裂作业管柱划分为分段压裂管柱、固井套管柱和钻桥塞管柱三类,为分段压裂作业管柱的力学分析奠定基础。然后,对水力压裂井和液氮压裂井的井筒温度场分布进行求解,为分段压裂管柱力学分析提供基础数据。综合考虑井眼轨迹、井身结构和作业工况等因素建立了考虑环空注入工况的二维非稳态传热水力压裂井井筒温度场数学模型,采用ADI交替方向隐式法对模型进行离散求解,通过计算结果与实测结果的对比验证了模型的精度;首次建立了一维轴向非等温流动与二维径向非稳态传热相结合的液氮压裂井瞬态井筒温度和压力耦合数学模型,并分析了压裂参数和隔热油管性能的影响。最后,建立了基于三维井眼轨迹的全压裂周期的分段压裂作业管柱力学分析数学模型,并给出了强度校核方法。其中,以不同分段压裂技术的分段压裂管柱作为研究对象,建立了基于三维井眼轨迹的全压裂周期分段压裂管柱力学分析数学模型,并给出了封隔器锚定力和压裂管柱强度校核的计算方法,研究表明,增大摩擦系数使压裂管柱轴向压缩力增大,导致螺旋屈曲段增长,而后采用实验方法验证了裸眼井岩屑床对摩阻系数的影响;以分段压裂固井套管柱作为研究对象,建立了压裂前和压裂时的分段压裂固井套管柱力学分析模型,并对压裂参数对固井套管受力的影响进行了分析,该模型综合考虑了井眼轨迹、内外压作用以及温度效应等多种因素的作用,结果表明,套管柱力学分析需要考虑井筒温度随井深的变化,弯曲应力对套管的强度影响显著,裂缝引发的非均匀诱导应力场导致套管强度降低,常规固井条件下液氮压裂井套管安全系数较小;以钻桥塞管柱为研究对象,建立了钻桥塞管柱力学分析模型,并首次开展了径向振动对钻桥塞管柱摩阻扭矩影响的研究,利用自主研发的试验台,对不同钻桥塞速度、转速条件下安装有不同钻桥塞管柱接头的水平旋转钻桥塞管柱进行扭矩测试,提出了利用径向振动实现钻桥塞管柱减摩降扭的新方法。