水泥环密封性失效将导致地下流体窜槽和井口环空带压,影响油气井产能和生产作业安全。随着油气井工程的发展,勘探开发的方向趋于深井化、复杂化,更易引发水泥环密封失效,给油气井生产造成严重危害。因此,进一步深入研究水泥环密封完整性,对确保油气井的安全开采具有重要的工程意义。在油井生产阶段,由于套管试压、压裂、注蒸汽或生产过程中井筒液面变化,导致套管内压力和温度变化使水泥环的密封性降低或失效。本文主要针对套管内压力和井筒温度的变化,通过“套管-水泥环-地层”分析模型的建立,推导了水泥环一界面微环隙和应力分布的公式,提出了拉伸、剪切和等效应力水泥环失效系数的3个判别准则,分析了套管、水泥环、地层和温度等参数对水泥环失效的影响规律。研究结果表明,套管内压的变化对水泥环微环隙大小和Von Mises应力、周向应力和径向应力的影响很明显,套管内压的变化是影响水泥环的密封完整性的重要因素之一,在套管内压变化情况下,水泥环存在拉伸、剪切和等效应力失效3种形式。此外,温度变化是影响水泥环热应力和热位移的主要影响因素,当井筒温度增加时,水泥环失效的主要形式为等效应力破坏,一界面处为最薄弱位置,为减小热应力对水泥环密封性影响,可通过减小水泥环弹性模量和选用热膨胀系数小的水泥环来提高其抗失效能力。研究结果可为水泥体系的设计或井筒密封性评价提供理论依据。