随着石油天然气勘探开发工作不断深入和扩大,复杂井和特殊工艺井也越来越多,对固井质量提出了极大的挑战。影响固井质量的因素有很多,其中如果水泥环密封性失效,容易引起环空带压或油气水窜,严重时会造成套管损坏,甚至油气井报废,造成严重的经济损失；若采用修井作业进行补救,作业成本高、危险大、成功率也较低。综上所述,研究该问题具有实际意义；在整个固井过程中影响水泥环密封完整性主要有三个方面：注水泥过程中,泥浆顶替效果不好将会在井壁或者套管壁上形成泥饼并且在后期水泥浆顶替过程中难以冲刷干净,这给油气发生窜流提供了有效通道；水泥浆硬化过程中,水泥浆失水、稳定性能不良形成短期的气窜或者水泥浆密度不均匀、混合能不足,水泥石强度发展不良都会影响水泥环的密封完整性；水泥硬化的后期过程,水泥环需满足在特定环境条件下的长期耐久性能,其中包括水泥环的完整性不受破坏、抗压强度不衰退、不出现体积收缩和后期过度膨胀而发生永久变形。就以上三点,文章着重从注水泥顶替效率和固井水泥环力学分析两个角度来分析。固井顶替效率一直是固井工作者十分关心的问题,由于井下条件恶劣,顶替机理十分复杂,而且影响因素众多,顶替效率的准确预测一直未能得到解决。本论文从钻井流体力学基本理论出发,结合宾汉流体、幂律流体、赫巴流体的本构方程,建立了幂律水泥浆顶替宾汉泥浆以及赫-巴水泥浆顶替宾汉泥浆的顶替效率预测模型,模型中考虑了井斜角,居中度,泥浆与水泥浆的密度差,注替排量等相关影响参数并且计算出了在套管壁处以及在井壁处泥浆的滞留层厚度；在考虑众多因素的前提下形成了一套系统的顶替效率预测方法,通过实例验证,发现利用该模型预测顶替效率,对于指导实际固井施工,提高固井质量具有重要的实际意义。固井水泥环力学分析是近年来兴起的一个话题,本文主要分析水泥浆硬化以后,在井筒内压影响下对水泥环强度的影响,以及是否在此情况下会否产生微间隙而造成环空带压,井口气窜等。本论文分两种情况进行考虑：一、考虑套管、地层和水泥环都为线弹性体；二、考虑套管、地层和水泥环都为弹塑性体。在第一种假设条件下,分析了在均匀地应力和非均匀地应力两种不同情况下的水泥环力学性能,建立了三种材料组合受力模型,给出了理论解析解。在第二种假设条件,建立模型并给出了在均匀地应力条件下的弹塑性解,计算出套管与水泥环第一胶结面微环隙的大小,并判断在套管试压、压裂等工况条件下是否会产生微环隙、水泥石是否会发生破坏等。同时运用有限元软件分析了在非均匀地应力下三种材料的弹塑性受力情况。论文最后介绍了固井水泥环密封完整性预测程序模块,其中包括：基础数据、水泥浆用量计算、流体流变学设计、顶替效率预测、气窜预测以及水泥环力学分析等模块。该软件界面简洁,操作方便,并且结合了一口井的实例进行检验。证明能够提供给固井工艺设计者一定的参考。