深水气井测试与生产过程期间,由于地层高温流体在井筒内的流动,导致各层自由段套管间的圈闭环空流体受热膨胀,引起环空压力升高,使深水气井水泥环密封完整性面临巨大挑战,因此需要开展环空压力对水泥环胶结面应力和失效的相关研究,为水泥环的密封完整性提供更多的科学依据。基于对深水井筒温度场、环空压力以及温压影响下的水泥环密封完整性的研究工作,探索了环空压力与温度的变化关系、环空热膨胀压力对水泥环第一、第二胶结面应力和失效的影响,得出如下规律:环空热膨胀压力将增大水泥环胶结面的切向拉应力,过大的切向拉应力将导致水泥环失效。与此同时,井筒温度增加产生的切向拉应力也会增大水泥环失效风险。环空热膨胀压力越大,水泥环安全系数越低,且温度效应对安全系数的影响较小。开展了深水井两环空圈闭压力模拟实验,研究了循环温度、循环流量以及循环时间对环空圈闭压力的影响规律,结果表明:环空压力与温差呈非线性关系,其中环空压力实验结果与理论结果相差较大,经过讨论分析,在现场实验中,套管环空液体可能含有少量气体,或者在不断循环加热的过程中析出气体,导致环空压力骤降。采用南海荔湾气田某气井数据分析了环空温压变化对水泥环完整性的影响,结果表明:当环空压力为40.00 MPa、温度变化30℃时,水泥环-套管胶结面切向拉应力已达4.06 MPa,超过水泥环的抗拉强度3.9 MPa,此时水泥环发生拉伸破坏;当环空压力小于30.00 MPa时,井筒温度变化对水泥环安全系数影响较明显,随着井筒温度升高,水泥环安全系数逐渐减小。