固井水泥环是油气井全寿命周期内封隔井眼内的不同压力层系、防止不同油、气、水层之间发生流体窜流的主要屏障,其完整性是保障后续钻进与油气开采顺利进行的必要条件,水泥环完整性丧失可能导致管外冒油、环空带压等现象,造成安全、环保隐患,降低油气开发效益。服役期不同阶段的应力状态定量预测是水泥环完整性评估的基础。油井水泥的全生命周期以候凝结束时刻为界线分为前后两个阶段,将候凝结束且套管内液柱压力未发生改变时刻的水泥环内部应力状态定义为水泥环初始应力,井下水泥环的应力状态由初始应力以及温压条件变化导致的增量应力两部分构成,目前的水泥环应力研究集中在水泥硬化之后阶段,并已经取得了许多认识和成果。然而,油井水泥候凝结束前后是两个相衔接的阶段,确定油井水泥环的初始应力状态至关重要,然而对于水泥环初始应力的形成机理缺乏深入的认识,目前尚无高效、精确的水泥环初始应力计算模型和方法。本文针对油气井固井水泥环初始应力状态开展了室内实验与数值模拟研究。设计和加工了一套水泥环侯凝过程中的水泥孔隙压力与水泥环-套管界面及水泥环-地层界面径向应力演化监测装置,基于该装置开展了侯凝过程中的水泥环孔隙压力与水泥环-套管界面及水泥环-地层界面径向应力演化规律实验研究,揭示了水泥膨胀性、地层软硬程度、地层渗透性和地层温度对固井水泥水化过程中的孔隙压力与应力状态影响。在实验结果的基础上,将水泥视为力学性质随水化进程而变化的孔隙弹性介质,考虑水化过程中的水分消耗,建立了固井水泥渗流-应力耦合模型,基于有限元方法对模型进行离散,编制了水泥环初始应力分析计算程序,模型计算结果与实验结果吻合较好。最后,基于ABAQUS软件平台,建立考虑建井过程的固井水泥环应力状态预测有限元模型,依次模拟井眼钻开、下套管、泵注水泥浆、侯凝等工况计算水泥环初始应力大小,并分析了地层弹性模量、地层泊松比、渗透率、温度和水泥环膨胀性对水泥环应力状态的影响规律。