一个完整的油气田开发周期,通常需要经历勘探、钻完井、开发及弃置四个环节。我国陆上石油工业、海上石油工业分别起步于20世纪50年代初、70年代初,经过几十年的发展,国内陆上和海上各个油田建有大量的油气井。油气井的设计寿命一般为30年左右,目前有大量的油气井（其中海上有超过3500口井）已进入生产开发的中后期。受生态环境和经济效益的影响,需要弃置的油气井数量逐年增加,油气井弃置作业需求呈上升趋势。井筒弃置是油气井生命周期的最后阶段,而弃置过程及弃置后期出现的地下流体运移、泄漏等井筒密封性问题,对生产安全及环保产生了不利影响。因此开展油气井弃置井筒密封失效机理研究,明确导致其失效的主要因素,对我国油气田的弃置进程具有重要的意义。本论文开展的研究工作主要有以下三个方面:1、考虑候凝过程水泥塞水化反应,建立了弃置井筒瞬态热-流-化耦合模型,分析了弃置井筒温度分布特征、水泥塞水化规律及水泥塞压力分布特征。以计算得到的水泥塞温度、化学收缩率、孔隙度及孔隙压力等作为动态边界条件,建立基于热-流-化耦合作用的弃置井筒力学有限元模型,揭示了弃置过程水泥塞本体失效的力学机理。分析了凝固时间、水泥塞深度及试压压力对水泥塞力学完整性的影响,提出了水泥塞位置综合优化方法。研究结果表明:由水化反应引起的水泥塞化学收缩和孔隙压力降低是导致水泥塞受拉伸应力作用并产生径向剥离失效的主要原因。水泥塞候凝过程中的热-流-化耦合作用降低了水泥塞的力学完整性。试压过程中深层位置水泥塞失效风险最高,浅层位置水泥塞次之,中层位置水泥塞失效风险最低。其中,深层位置的水泥塞在径向拉应力、轴向剪切应力作用下发生径向剥离、剪切破坏的可能性较大。浅层位置的水泥塞在环向拉应力的作用下产生径向开裂的风险显著增加。2、考虑流体与水泥塞及地层的流固耦合作用,对异常压力下弃置井筒水泥塞-套管/地层界面剥离失效进行了新的研究,建立了界面裂缝发展形态和扩展压力与地层流体运移时间之间的关系,定量分析了水泥塞力学参数、地层力学参数、水平地应力及界面胶结强度对剥离裂缝扩展压力和剥离高度的影响规律。研究表明:对于水泥塞-套管界面,最小水平主应力在控制裂缝损伤演化过程中具有决定性作用,剥离裂缝易于沿着垂直于最小水平主应力的方向扩展。较低的水泥塞弹性模量、较高的水泥塞渗透率及较大的临界法向强度可以有效控制裂缝扩展,降低水泥塞-套管界面剥离失效的风险。对于水泥塞-地层界面,均匀水平地应力越大裂缝越不易扩展,非均匀水平地应力差越大裂缝越容易扩展。界面胶结强度、水泥塞及地层弹性模量对水泥塞-地层界面裂缝扩展压力和扩展高度影响较大。降低水泥塞-套管/地层界面剥离失效风险的最有效方法是清洁套管内壁以增大界面胶结强度。3、根据弃置井筒温度压力条件,开展了水泥石力学实验,获取了水泥石弹塑性应变规律。据此建立基于损伤力学的补注水泥环/原水泥环弹塑性应变计算新模型,研究了界面区域的塑性变形行为。明确了弃置井筒补注水泥环密封失效机理,分析了补注水泥环力学参数对累积塑性应变和补注水泥环-套管界面微环隙产生的影响规律。结果表明:水泥石在单轴抗压强度试验过程中表现出明显的弹脆性特性,在三轴抗压强度试验中表现出明显的塑性特征。在套管内压与非均匀地应力的共同作用下补注水泥环内壁发生累积塑性变形,界面产生微环隙,是补注水泥环密封失效的主要原因。增加补注水泥环的泊松比、粘聚力及内摩擦角,减小补注水泥环弹性模量,有利于有助于降低累积塑性应变,提高补注水泥环的密封性。通过本论文的研究,建立了水泥塞本体、井筒界面及补注水泥环失效模型,揭示了井筒弃置过程及弃置后期的密封失效机理,理清了其主要影响因素,提出了水泥塞关键参数优化方法。研究结论可以为油气井弃置过程及后期井筒密封性控制问题提供参考,具有重要的理论意义和工程意义。