在油气井工程中,套管柱优化设计问题具有重要的实际意义,它包括套管柱所受载荷的分析、套管强度的计算和套管柱优化设计模型及其求解。本研究的主要目标是研究与开发套管柱载荷分析及优化设计的模型和软件。因此,用有限元方法分别按平面问题和空间问题研究了含新月形缺陷套管的抗挤强度;由按平面应力问题算出的数据回归出了计算抗挤强度的模型,用于套管强度校核。当给定套管外径时,只要已知磨损半径和最大深度即可估算出抗挤强度损失比,本文提出了将其引入抗挤强度设计系数的方法。此外,计算结果还表明:实际问题可按平面问题处理,影响抗挤强度的因素有管径、壁厚、钢级、磨损缺陷半径和最大深度。通过分析三维井眼中套管柱单元的受力,提出了计算定向井轴向载荷的通用算法,它适用于所有类型井眼中套管柱上提、下放和静止状态的轴向载荷计算。根据静水压力原理,提出适合深井组合套管柱设计的组合外压力模型。分析了套管尺寸对有效外压力计算的影响。提出了新的计算气柱压力分布的算法,以此对前人的套管柱内压计算模型进行了修正,得到修正的预设井涌量法、修正的Prentice方法、修正的司钻法、修正的等候加重法,研究结果表明采用新模型更安全。根据弹性杆稳定理论,建立了尾管柱扶正器安放间距方程及其解析解。提出了扩展的套管柱优化设计模型和求解此模型的排序筛选法,并结合前人的和本文的载荷分析模型、套管柱优化模型、套管强度计算模型和数据库查询技术,开发出了通用的套管柱载荷分析及优化设计软件,它具有较多优点:可模拟的载荷种类多,几乎可满足各种地层压力条件下的套管柱设计的要求;能精确计算套管柱内部气柱的压力分布;在套管强度计算中可以考虑温度对套管强度的影响;能够以最小重量和(或)最小成本作为优化目标设计套管柱,此外还有许多其它实用的设计约束条件可供选择;设计者可以利用程序提供的选项直接输入内外压力分布;输入和输出支持任意的单位制;本软件集成了普通井、深井和定向井套管柱的优化设计功能,拥有套管数据库和管材机械性能数据库,因而具有更广泛的用途。