海洋深水区油气井的井口结构与陆地油气井存在较大差异。由于生产前后井筒温差变化的影响,深水套管和水下井口承受了较高的热应力和环空压力耦合作用,增加了相应的失效风险。因此,深入研究深水套管与水下井口温压效应,揭示在生产过程中井筒温度、环空压力及水下井口稳定性的变化规律,对于深水井身结构设计、生产方案制定与安全控制等具有重要的实际意义。针对深水井身结构,考虑油套管和环空液体的瞬态传热,分段建立了油套管和环空液体温度场的计算模型,可为计算环空液体热膨胀效应和套管热应力分布提供了基础数据。算例分析结果表明:随着产量和生产时间增加,油套管和环空液体温度趋于稳定;采用保温油管,可以有效提高油管产液温度,同时降低套管和环空液体的温度。基于状态方程和热弹性理论,考虑了环空液体热物性和环空体积变化的耦合作用,建立了深水井筒多层环空热膨胀压力计算模型。算例分析结果表明:环空压力随产量或生产时间增加而增加,环空压力由内至外依次降低;由于环空液体热物性随温度非线性变化,当环空液体平均温升相同时,环空液体温度越高,环空压力越大;应用保温油管降低环空液体温度或应用环空泄压工具提供泄压通道是抑制深水井筒环空压力的有效方法。针对固井水泥环密封失效问题,考虑环空体积随环空压力变化的影响,建立了水泥环密封失效引起的多层环空带压计算模型。算例分析结果表明:气窜引起井筒多层环空的环空压力增加,B环空水泥环密封失效的环空压力最高,相邻环空的环空压力较低;环空体积变化影响了环空带压的稳定时间,但不影响最大环空压力;应用环空带压计算模型可以定量确定水泥环的综合渗透率,考虑环空体积变化所计算的水泥环综合渗透率较低。利用实测数据对以上计算模型进行了验证,计算结果与现场数据吻合良好。以环空压力和井筒温度场研究为基础,考虑热应力、鼓胀力和环空压力的耦合作用,建立了深水井口抬升的计算模型,阐明了套管热物性、产量和时间等因素对井口的抬升高度和轴向力的影响规律。应用简化的深水井口抬升计算模型对一起井口抬升事故进行了分析,预测结果与实测结果的误差较小。