油管和固井结构是地下储气库(Underground gas storage,UGS)井筒的主要组成部分,是井筒完整性评价的主体,其中固井结构包括套管、水泥环和周围地层。UGS“既采又注”的超低周循环运行和高压高速的注/采气作业方式对井筒完整性提出了严峻挑战。然而目前对UGS油管的失效评价多依据静力分析,而对注采过程中,尤其是开/关井等动态工况中油管受力的问题研究较少;另一方面,目前对固井结构的失效评价多依据简化的理想模型,而对温差、非均匀地应力作用下的结构失效机理仍缺乏深入研究。本文以我国西南某气田UGS的实际运行工况和地质条件为工程背景,通过理论研究、数值计算和实验模拟等手段开展以下工作:第一,推导天然气-油管系统流固耦合问题的求解过程并进行实验验证,结合准相似实验研究动态载荷作用下的油管截面状态和近壁压力分布,以此作为初始条件和载荷条件,建立基于CEM理论(Cellular element method)的油管动力学分析方法,进而研究注采过程中油管的失效机理。第二,通过研究井筒周围地应力分布,考虑地应力不均匀性、温度载荷和位移连续条件建立固井结构受力分析模型,并推导套管、水泥环和胶结面上的应力计算公式,进而研究固井结构的失效机理。最后,引入因子分析模型对井筒失效的贡献因素进行筛选、分类和重要度排名,基于可靠性理论建立一种量化的、分级的UGS井筒完整性评价方法。本文研究成果可为UGS井筒的设计和安全评价提供指导。主要内容如下:(1)基于改进的Euler管流模型和Riemann-Glimm(R-G)方法,开展了动态压力载荷作用下天然气-油管系统流固耦合分析。通过改进一维管流的8方程模型,得到了描述天然气-油管系统任意时刻横截面状态的Euler方程组。利用Euler方程与Riemann问题的转换,推导了开井后_nt时刻到_nt(10)(35)t时刻Euler双曲方程初值问题的求解过程,给出了局部坐标系中系统横截面上的内力表达式。将R-G方法通过FLUENT UDF编程实现,研究了开井过程中动态压力载荷作用下天然气-油管系统横截面的力学状态,并得到了压差和油管内径对油管加速度、速度、位移的影响规律。(2)对改进的Euler模型和R-G方法进行了实验验证,并研究了注采过程中油管近壁压力的分布及其影响因素。以UGS-T4的井身结构为原型搭建了天然气-油管系统模拟实验装置,并完成以下工作:参考Tijsseling的研究完成了冲击管流实验,通过测量冲击载荷作用后油管的近壁压力、油管加速度和管壁应变,发现R-G方法的预测结果与实验结果具有很高的吻合度,进而分析得到了R-G方法的最优网格数量以及Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)系数的合理取值区间。基于上述装置设计了满足几何相似条件和雷诺自相似条件的UGS注采过程准相似管流实验,结合数值计算全面研究了UGS注采过程中压差、油管内径、狗腿度和接头尺寸对油管近壁压力的影响规律。(3)基于CEM方法开展了注采过程中UGS油管动力学分析及失效机理研究。引入CEM理论推导了求解动态压力载荷作用下油管受力问题的过程,并给出了迭代格式和算法,通过与ANSYS计算结果对比证明了CEM方法的易收敛性。在流固耦合分析和油管近壁压力研究的基础上,基于CEM方法全面研究了稳态过程和开井过程中油管的运动、受力、变形情况,结果表明:开井过程中油管中和点下移,其变形状态主要由轴向力决定;油管处于直线状态、正弦弯曲状态、螺旋弯曲状态的时间受油管内径和压差的影响。为便于分析,根据油管的三种失效方式定义了“油管失效指数”和“油管失效因子”,给出了判定油管失效程度的量化公式和分级评价标准,研究表明:当采气压差较小时,油管易发生刚度失效或稳定性失效,而随着压差的增大,强度失效逐渐成为油管失效的主导因素;在稳态过程和开井过程中,随着油管内径和采气压差的增大,油管的失效因子均随之增大。(4)基于分层模型和多目标约束反分析方法,开展了UGS井筒周围地应力计算。为获取目标井所在区块的地应力大小和方向,首先利用测井信息和Gristensen公式得到了目标储层的动态、静态岩性参数,通过引入“多目标约束优化反分析”方法对该区块的地应力进行了反演。在此基础上考虑构造地应力和附加地应力,并引入垂向分层模型,基于弹性力学孔板问题的拉梅解推导任意水平横截面上井筒周围地应力的计算公式,进而研究井筒周围地应力分布随坐标方位角、距井壁距离的变化规律。(5)基于改进的多层界面模型,开展了UGS固井结构受力分析及失效机理研究。在区块地应力反演结果和井筒周围地应力分析的基础上,考虑胶结面位移连续条件、非均匀地应力和温度载荷,改进了固井结构受力分析模型并推导了新的多层结构应力计算公式。结合分层地应力计算结果,得到了UGS-T4井F一段水平截面上固井结构和胶结面的应力大小及分布。为便于分析,定义了“固井结构失效指数”和“固井结构失效因子”,给出了判定固井结构失效程度的量化公式,并建立了分级评价标准,通过计算得到UGS-T4井F一段的失效因子为1.15,证明发生了完整性失效。在此基础上全面研究了地应力非均匀系数、环空压力、地层温度和材料参数对固井结构失效程度的影响。(6)基于统计学理论,提出了一种UGS井筒完整性的量化评价方法并进行了工程应用。为充分考虑材料、结构、载荷和事件的不确定性(或随机性),在力学分析和失效评价的基础上,引入了统计学理论和可靠度计算方法对UGS井筒完整性进行更加全面的评价。通过引入因子分析法推导了井筒完整性评价的因子分析模型,以最少信息丢失为原则对UGS井筒完整性失效的贡献因素进行了分类、筛选和重要度排名,将井筒完整性失效的贡献因素类别从23类压缩为7类,在保证精度的情况下提高了统计效率,得到“套管等效应力失效”的重要度排名为第1名。基于中心点法推导了量化UGS井筒完整性的可靠概率计算公式,并用Monte-Carlo法验证了其精度。最后通过建立“井筒完整性可靠概率”与“井筒完整性可靠性指标”之间的关系,给出了UGS井筒完整性的分级评价标准。研究表明:本文方法和Monte-Carlo法得到的UGS-T4井筒完整性可靠概率分别为0.8966和0.9106,井筒完整性的评价结果分别为“较可靠”和“很可靠”,证明了本文方法精度良好。