由于深井井身结构复杂,套管层次多,井下工况存在较多的不确定性,套管失效事故时有发生。目前,套管强度可靠性分析主要建立在套管强度计算以及对于安全系数大小的评价方法基础上,现有的API/ISO或GB/SY标准设计的套管不能完全保证在服役过程中完整性,对于复杂载荷作用下套管-水泥环-地层岩石多层结构的相互作用机理、变形和应力分布规律,深井复杂地层套管柱载荷的分布规律还需更深入的研究。因此,需要围绕井筒套管失效机制与外载相互关系这一关键科学问题,将套管柱-水泥环-地层作为完整系统,研究建立地层信息不确定条件下井筒套管的失效准则和强度可靠性评价方法,对保证钻井作业和后续生产过程中井筒安全可靠性至关重要。首先,论文通过建立均匀和非均匀载荷作用下套管-水泥环-地层井筒力学分析模型,给出了一种可考虑水泥环综合卸载作用和管内掏空等因素的套管外挤载荷计算模型。分析结果表明,影响套管外挤载荷的主要因素为地应力和地层弹性模量,同时还包括为掏空系数、水泥环参数、地层泊松比和钻井液密度等。该方法适合深井套管柱外挤载荷计算。其次,考虑到深井复杂地层地质参数随机性对套管载荷的影响,提出了用概率分布或不确定度描述钻井地质特征参数和地层压力的不确定性方法。通过对原始数据资料的处理和分析,建立了研究区域不同地层粘聚力、内摩擦角、单轴抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比等岩石力学参数的分布剖面,在此基础上给出了最大最小地应力、孔隙压力、破裂压力和坍塌压力的纵向和横向分布剖面。通过四川新场区块现场资料,计算了地应力非均匀度情况,得到了该地区各个地层组的实际地应力大小及非均匀程度范围,新场地区套管外挤载荷非均匀度在1.14-1.26之间。再次,研究了套管外载荷与套管性能参数的随机特征,给出了套管外挤载荷和内压载荷、套管外挤强度与内压强度相关的参数概率分布获取方法,建立了未磨损套管和内壁磨损套管抗外挤强度和抗内压强度的概率分布函数,可对不同条件下套管强度的随机分布特征进行分析。在此基础上,应力“载荷-强度”干涉理论,建立了套管抗外挤强度和抗内压强度的强度可靠性评价方法,并进行了单井和区块多口井的实例分析与验证,为传统安全系数的选取和外载条件不确定性条件下套管设计与评价提供了一种辅助手段。