页岩储层具有低孔隙度和低基质渗透率特征,通常采用体积压裂技术对储层进行增产改造。我国页岩气井体积压裂改造过程中,很多井次都出现了井筒完整性失效的问题。一是套管损坏变形,导致压裂工具无法下入,改造完成后桥塞无法钻磨,后期无法进行生产测井等。二是水泥环密封失效导致环空带压,井口安全控制风险大。页岩气井井筒完整性失效问题严重影响了我国页岩气的开发效果,亟待解决。因此,本文以页岩气水平井套管-水泥环-地层组合体为研究对象,分析了页岩气井体积压裂过程中井筒组合体的力学行为变化规律,明确了页岩气井井筒完整性的失效机理,可为页岩气井体积压裂井筒完整性控制方法的改进提供参考。本文主要取得了以下成果:针对页岩气井体积压裂过程中储层力学性质、井筒温度场、压力场均动态变化的特点,基于顺序耦合的方法,将井筒温度场瞬态变化过程中产生的温度应力与压裂过程中井筒压力场变化产生的应力进行叠加,建立了页岩气井井筒组合体力学新模型,该模型考虑了压裂前水泥石的初始应力应变,克服了常规模型未考虑水泥环初始应力变化的不足。基于建立的页岩气井井筒组合体力学新模型,分析了页岩气井压裂过程中地层性质变化、水泥环形态、水泥环空隙内高压束缚流体等因素对套管Mises应力的影响,并与传统模型的计算结果进行了对比。结果表明:页岩气井体积压裂过程中,近井地层弹性模量的下降和水泥环缺失的综合作用会增加套管变形的风险;地层弹性模量降低幅度较小的区域,水泥环空隙内高压束缚流体容易导致套管发生挤毁变形。针对页岩储层天然裂缝/断层发育、体积压裂改造级数多的特点,建立了页岩气井三维地层滑移模型。分析了体积压裂过程中,断层滑移界面走向、改造级数、改造程度、储层非对称改造等因素对长水平段套管Mises应力分布的影响。研究表明,增加压裂改造位置与滑移界面的距离,并降低滑移界面处储层的改造体积,可有效降低套管发生剪切破坏的几率。研究了页岩气井体积压裂过程中水泥环密封失效的机理。首先,基于页岩气井井筒组合体力学模型,分析了压裂过程中地层性质变化、水泥环初始应力变化对水泥石结构的影响。其次,采用带罚刚度摩尔库伦模型的无厚度接触单元,建立了考虑固井一、二界面存在微间隙的井筒组合体变形数值新模型,分析了固井界面微间隙的演变过程,克服了传统模型无法分析地层性质以及井筒内温度瞬态变化对微间隙影响的不足。最后,基于Cohesive孔压单元建立了固井二界面裂缝扩展有限元计算模型。研究表明,压裂过程中井筒内温度的瞬态变化、地层有效应力以及水泥环初始应力的降低是影响水泥环密封完整性的三个主要因素。