页岩气开发对于缓解我国天然气供需缺口具有重要意义。目前,我国页岩气逐步进入商业化开发阶段,但在页岩气水平井多级压裂过程中井筒完整性失效现象突出,严重制约了页岩气安全高效开发。主要体现在以下两个方面:一是套管变形问题。自2009年以来,多级压裂过程中套管变形井的比例在30%左右。二是水泥环密封失效问题。水泥环密封失效后导致环空带压,部分区块压裂后环空带压井的比例超过50%。井筒完整性失效问题直接影响了现场作业效率、降低了单井产量,威胁了井口安全,亟待解决。因此,分析页岩气井井筒完整性失效机理,并提出对应的控制方法,对于我国页岩气的安全高效开发具有重要意义。本论文开展的主要研究工作如下:（1）基于页岩岩石力学试验,明确了裂缝形成时页岩弹性模量的变化规律,建立了考虑页岩损伤的套管-水泥环-地层组合体流-固耦合数值模型,分析了多级压裂过程中套管应力随压裂级数的变化特征,明确了跟端地层的位移变化规律。结果表明:水平段套管最大应力位置在跟端A点,且随着压裂级数的增加而增大;高压压裂液进入地层后使地层孔隙压力升高,产生拉伸位移并在跟端位置产生累积。（2）在上述模型的基础上,综合考虑页岩地层断层分布特点,进一步建立了断层存在条件下的流-固耦合数值计算模型,分析了断层位置、断层长度、断层倾角等对套管变形量的影响。研究结果表明:断层越靠近跟端,长度越大,倾角越小,套管变形量越大,反之越小;增加套管壁厚、钢级对缓解套管变形作用较小。（3）基于震源机制基本方程,研究了多级压裂过程中断层滑移量和矩震级的关系,进一步建立了断层滑移条件下套管-水泥环-地层组合体数值模型,分析了套管变形量和断层滑移量的关系,从而明确了套管变形量和矩震级的关系。计算结果表明:套管变形量的主控因素为地层滑移距离;矩震级小于3级时,套管变形量基本为0,然后套管变形量随矩震级的增加呈指数增加。因此,建议现场作业过程中监测到矩震级接近3级时,应降低施工强度,防止套管剪切变形。（4）根据页岩气井井身结构、地应力和岩石力学参数范围,建立了全井筒水泥环完整性分析模型,研究了水泥环径向、周向应力随井深变化规律。基于摩尔-库伦准则评价了水泥环的失效形式,分析了地面泵压、水泥环弹性模量和泊松比等对水泥环完整性的影响。研究结果表明:水泥环的失效形式以剪切破坏为主,另外,技术套管鞋以上的水泥环同时存在周向拉伸破坏,技术套管鞋以下的水泥环还存在微环隙、损伤扩容等破坏形式。降低地面泵压、降低水泥环弹性模量和增加泊松比能够缓解水泥环的应力状态,但不能保证水泥环的完整性。（5）研究结果表明:膨胀性水泥浆体系具有的膨胀特性使水泥环径向压缩应力增加、周向拉伸应力降低,甚至由受拉转变为受压,膨胀率在一定区间时有利于水泥环的完整性。而低残余应变水泥浆体系具有弹性模量低,循环加载条件下累积塑性变形低的特点,因而在多级压裂过程中水泥环的累积塑性变形小,有利于防止微环隙的产生。因此,建议在技术套管鞋以上使用膨胀性水泥浆体系,以减缓水泥环拉伸/剪切破坏,技术套管鞋以下使用低残余应变水泥浆体系,防止水泥环产生微环隙。通过本论文研究,明确了页岩气水平井多级压裂过程中井筒完整性的失效机理和主控因素,并提出了对应的控制方法,可为套管和水泥环的完整性控制提供理论指导,具有重要的理论和工程意义。