水泥环作为封隔地下油气水层的重要屏障,其失效与否是油气井生产寿命的关键。对于水泥环完整性的研究,目前主要思路为通过单项应力载荷值作对比分析,尚不能真实模拟井下水泥环力学服役特点。因此,要想弄清水泥环的失效形式,最关键一点就是研制一套能真实反映井下水泥环受载过程的评价装置,通过该装置探究水泥环失效机理,为后期针对性地提出改进措施奠定基础。本文通过分析油气开采作业过程中对水泥环的作用规律,结合已有研究基础,设计加工水泥环力学完整性评价装置,利用该装置模拟水泥浆的凝结硬化过程及井筒工况变化下的水泥环力学服役环境,根据现场施工作业特点,从气窜流量、径向位移、周向形变、声波信号角度入手评价水泥环完整性,建立水泥环力学完整性评价实验方法。本文通过建立的水泥环力学完整性评价实验方法,对环空带压较严重的油气井水泥环进行实验评价,以验证装置的可靠性。最后,借助三轴力学实验、微观形貌扫描实验、低场核磁共振实验,探究水泥环力学完整性失效机理,对指导现场施工作业具有重要意义。本文在理论研究、实验装置和方法研究基础上,形成如下结论:(1)本文以水泥环力一二界面处应力模型为依据,设计了水泥环力学完整性评价装置,完成了装置的加工调试和功能检验,该装置在功能模拟、测试手段方面可较为真实反应水泥环力学服役环境特征及受载后的失效机制。(2)本文以井筒内水泥环与装置内水泥环一二界面处应力相等为原则,建立了水泥环力学完整性评价实验方法,从不同角度评价水泥环在井下工况作用下的力学完整性,通过室内实验评价现场油气井水泥环完整性。(3)通过建立的评价方法,对油田现场水泥环进行实验评价,得到水泥环在不同载荷作用下的失效关系,实验结果与现场情况相符,证明该装置能有效评价现场油气井水泥环完整性,装置可靠。(4)通过三轴力学实验、扫描电镜实验、低场核磁共振实验得到水泥环的失效机理,研究认为水泥石在载荷作用后产生裂纹,同时被压缩,体积减小,产生微间隙,导致水泥环完整性失效。