环空水泥环是油气井井筒完整性的主要屏障之一,直接影响钻井、完井、生产、弃井等整个生命周期的安全。水泥环与套管和地层之间的形成良好胶结,才能避免地层流体污染、层间互窜、环空带压等复杂情况的发生。水泥环密封失效或固井质量差可能导致持续套管压力而引发井喷事故。很多情况下,环空带压难以监测,造成地层污染、钻机\平台受损,甚至人员伤亡,给油气安全生产带来重要影响。尽管水泥环失效已开展了大量的研究,但水泥环失效机制、环空压力管理等方面问题仍然没有得到很好的解决,需要进一步开展此方面的研究,提出解决方案,以减少水泥环失效带来的风险。本文主要通过进一步研究水泥环失效机理,揭示持续套管压力和环空流体膨胀引起环空带压的原因,提出减少环空带压的技术方法。首先,通过自行研制的水泥环密封性测试装置（模拟井筒根据Ф139.7mm套管1:4比例建立）,研究了水泥环在循环加载和射孔两种条件下水泥环的失效形式和特征。实验条件为G级油井水泥,水灰比为0.44,室温和90℃下带压3.5MPa养护48h。共有二组方案:（1）不射孔套管（薄壁管,壁厚1.2-2.5mm;厚壁管,壁厚2.0-2.5mm）;（2）模拟不同射孔套管,2孔（6mm直径和10mm直径）和4孔（6mm）。实验结果主要用于分析多级压裂和射孔密度对水泥环失效的影响。在实验结果的基础上,采用ABQUS有限元软件,通过建立水泥环偏心、高外挤压力和薄壁套管等有限元模型,分析水泥环内部应力应变分布规律,进一步研究水泥环的失效机制。最后,针对减小持续套管压力和由于温度变化引起的膨胀压力提出了针对性的技术方法,一种是科学设计水泥环返高,另一种是套管外壁增加褶皱层。结合海洋深水井的井史资料,编制了MATLAB程序,对两种方法进行了验证。研究结果表明,水泥浆的气泡会使水泥石强度降低,水泥与外加剂材料的不合理匹配也是水泥环失效的重要因素。此外,水泥环偏心、高外挤压力差是导致套管环空带压的影响因素,压裂过程中,射孔密度增大,水泥环失效风险增加。水泥返高同样对持续套管压力有重要影响,结合目前API/ISO不同标准之间对水泥环的确定具有不同的规定,尚未形成统一标准,通过分析发现,在设计水泥返高时,不仅要考虑对复杂地层的封隔要求,还需要考虑封固段长度和自由段液柱长度对持续套管压力的影响。设计出的两种套管外壁褶皱可有效降低持续套管压力。