世界范围内,大量油气井出现的环空带压现象使得井筒完整性研究成为了油田开发的重要研究课题,而墨西哥湾大型急性原油泄露事故的发生更加快了该课题的研究步伐。随着勘探开发的深入,深井在油田开采井中所占比例越来越高。深井井筒系统承受的载荷较为复杂,井筒不但承受地层高温、高压作用,而且钻遇复杂多样的地层类型,如盐膏层、盐岩层、稀疏砂岩层、致密砂岩等。在诸多地质因素、施工因素的影响下,通过理论方法分析井筒系统的应力场较为困难,由于井筒系统的应力场是研究井筒系统完整性的基础,因而井筒系统完整性的研究更加困难。井筒完整性失效问题主要包含水泥环失效、套管失效和地层失效等问题。随着时间的推移,井筒材料老化严重,套管、水泥环失效位置越来越多,井筒系统完整性越来越差。本文针对复杂深井井筒系统的影响因素的随机分布特点,建立了基于可靠性理论的井筒系统完整性评价方法,并通过多目标优化的遗传算法,对井筒系统参数进行了优化分析,编写了一套井筒系统完整性评价与预测软件。具体研究工作和得到的结论如下:(1)根据弹性力学理论,推导了地应力、温度、套管内压等载荷作用下的单层套管-水泥环、多层套管-水泥环组成的井筒系统的平面应力场表达式。通过VB编程,三维显示了井筒系统不同位置处的应力曲线,研究了材料力学参数对井筒系统组合体的影响规律。对定向井进行一定的平面假设,推导了定向井井筒系统的应力场的三维表达式。(2)通过研究套管、水泥环、地层、胶结面的强度破坏判据,并根据复杂井筒系统所处环境进行参数修正,建立了基于多个薄弱面强度破坏的井筒系统完整性评价方法。通过定义失效系数,并分析井筒系统完整性的影响因素对失效系数的影响及其变化规律,得出影响井筒系统完整性的关键薄弱面为胶结面。(3)分析复杂深井井筒系统完整性的影响因素,发现影响因素的概率分布特点为正态分布。通过对影响因素进行大量的统计分析,获取了概率分布的数学拟合公式以及概率分布参数:方差与均值。(4)根据井筒规则度的不同,井筒系统可分为两大类:规则井筒系统和不规则井筒系统。在研究井筒系统影响因素的概率分布和各种可靠性分析方法基础上,分别建立了基于可靠性理论的规则井筒系统完整性评价理论和不规则井筒系统完整性评价理论,并进行了算例分析。(5)建立了井筒系统完整性评价方法;运用多目标优化的遗传算法,建立了井筒系统参数优化方法,并编写了一套井筒系统完整性评价与预测软件,软件主要模块有:数值化井眼轨迹、地应力计算与井筒附近应力场分析、岩体分层地应力分析、井筒系统完整性评价。