稠油热采井注热期间,水泥环承受着温度、压力载荷的共同作用,可能发生各种形式应力破坏导致其失去结构支撑与区域隔离的功能,给油气开发埋下了严重的生产隐患,因此深入研究热采井水泥环力学完整性具有重要的意义。本文基于弹性力学基本理论,建立求解考虑初始非均匀地应力条件下的套管-水泥环-地层组合体系应力场的解析解,适当近似处理之后利用数值方法验证结果的正确性。研究发现套管内温度升高会使水泥环内部的径向应力与周向应力出现一定程度的升高,而温度下降时则会相应地降低。开展三轴实验研究水泥石不同加载路径的应力应变关系,确定水泥石在围压作用下的强度与破坏规律,优选适合描述水泥石压实力学行为的本构关系,并通过开展循环温度载荷处理之后的水泥石力学特征测量试验,确定温度载荷对水泥石力学性质的影响。研究发现水泥石在单轴条件下发生脆性破坏,而低围压条件下的破坏呈现一定的应变软化特征,而在较高围压条件则表现出应变硬化特点,即水泥石具有高围压下剪涨扩容与低围压下剪切压实两种塑性现象;DPCAP模型可以同时描述水泥石的剪切破坏与压实塑性;多轮次注热在影响剪切破坏屈服面的表现是粘聚力降低,摩擦角升高,而对压实屈服面的影响并不明显。建立考虑建井过程的分步模拟方法,连续模拟从钻井到下套管注水泥直至水泥凝固后进行后续开发措施的不同阶段水泥环应力应变的形成与发展过程。并基于现场油井数据,从水泥石力学性质、地层性质以及注热参数的方向对水泥环完整性开展规律性分析。研究发现水泥环在不同地层条件下发生不同的破坏形式,并且不同的水泥石力学参数、地层条件以及注热参数会对水泥石出现的不同破坏形式产生影响,须严格控制水泥石性质与地层性质的配合,并优化注热参数。