水泥环对于保护和固定套管,封隔油、气、水层具有重要作用。在油气井作业过程中,水泥环完整性会受到破坏,失去密封性,这直接关系到油气井安全生产和使用寿命。而准确描述水泥环的本构关系是实现水泥环力学分析及结构完整性分析的物质基础。本文以水泥石应力应变测试实验为基础,研究了水泥石力学本构关系模型的建立问题,通过开展单轴应力、三轴应力、循环加载等3种试验方式,从不同角度测试了水泥石的力学性能,分析了围压、养护时间、温度、循环载荷等因素对水泥石力学性能的影响规律;依据三轴应力条件下水泥石变形特征,运用损伤力学和统计理论,建立了水泥石统计损伤本构关系数学模型,并结合实验数据给予验证。以此为基础,运用ANSYS数值模拟软件,采用控制变量法,分析了在蠕变地层、弹性地层和刚性地层中,不同参数对于水泥环所受应力的影响。实验表明,三轴应力条件下水泥石所体现出的力学变形行为与单轴应力条件存在明显的差异,主要表现为强度的增加和塑性变形增大;随温度、养护时间的增大,水泥石抗压强度和弹性模量也都增大,且水泥石强度与弹性模量成正比关系;胶乳等增韧材料能够改善水泥石力学变形能力,但水泥石力学行为特征并没有改变,其应力应变曲线与原浆水泥石的形状相近。运用损伤力学理论,基于Weibull概率密度函数和D-P破坏失效准则,建立了水泥石统计损伤本构关系,结合实验数据给予验证,结果表明本模型与试验结果拟合较好。水泥环弹性模量越大,水泥环整体所承受的应力越大,且受力越不均匀;水泥环泊松比越大,其变形能力和传递压力能力越强,抗破坏能力就越强;水泥环随着厚度的增加其有效应力整体逐渐趋向于减小;因此为了提高水泥环的封固可靠性,应选择低弹性模量,高泊松比的水泥浆体系。在不同地层条件下,水泥环参数对界面应力的影响方式相同,但影响水平不同。随着弹性模量的增加,水泥环所受的等效应力增大,相比于弹性地层和刚性地层,蠕变地层水泥环所受应力作用更加明显。在刚性地层中水泥环所承受应力为线性变化,随着泊松比的增大而逐渐减小,减小幅度较大;在蠕变地层中水泥环承受应力随着泊松比的增大而逐渐减小,但减小幅度不大。