深水油气井开采期间,由于油管内产出的高温地层流体和油管与生产套管、各层套管之间的环空中低温液体温差较大,环空液体受热产生热膨胀效应。环空无法容纳因热膨胀效应导致的体积增加,最终引起环空压力急剧升高,威胁井筒完整性、套管和油管安全和油井可持续开采。针对深水油气井井筒多层环空的特点,分井段建立井筒半稳态温度计算模型;以现场实测数据为依据,充分考虑环空液体热膨胀系数和等温压缩系数随温度的非线性变化关系,建立基于半稳态井筒温度模型的环空压力预测模型。相较于已有的环空压力计算模型在计算过程中认为环空内热膨胀系数和等温压缩系数固定不变或用水的相关参数近似代替,而导致产生的计算值偏高和精度不高的问题,本文建立的环空压力计算模型精度更高,更加符合现场实际。根据井筒不同深度下,地层流体至地层径向传热介质的差异,分井段建立瞬态井筒温度计算模型,并采用Crank-Nicholson差分格式求解;基于瞬态井筒温度模型,考虑生产过程中套管径向膨胀和位移变化而引起的环空体积变化,建立瞬态环空压力预测模型。Crank-Nicholson差分格式在精度、稳定性和计算效率上均优于常规的显式差分和隐式差分格式。传统环空压力计算过程中,将油管内地层流体至水泥环外边缘的传热视为稳态,忽略了热量在井筒中传递的时间,造成在生产初期,环空压力被严重高估。分析了生产时间、油井产量等因素对环空温度和环空压力的影响。结果表明:环空压力升高主要发生在生产初期;油井产量通过影响对流换热系数和改变参与地层流体/井筒之间热传递能量的多少而影响环空压力。掌握各因素对环空压力的影响规律,有助于制定合理的井身结构和相应的压力释放措施。对常见的环空压力释放措施的作用机理进行了总结分析和研究,包括真空隔热油管技术、环空注氮技术、破裂盘技术等。针对目前采用可压缩性泡沫技术作用机理研究的不足,建立安装可压缩性泡沫降低环空压力的模型,并通过算例证明可压缩性泡沫对于降低环空压力的有效性。