压裂施工中水泥环会受到复杂应力作用,因此研究水泥环在压裂过程中的受力状态,确定水泥环的破坏类型及破坏条件对保证井筒完整性,保证油气高效、快速开发有重要的指导意义。本文研究了压裂过程中套管、水泥环、地层的径向力和径向位移的耦合。考虑到水泥环是最薄弱、最容易损坏的,因此在前人基础上研究了压裂时水泥石本体的塑性变形及破坏情况,研究了由于水泥石产生不可恢复塑性变形导致胶结面脱离的原因。主要研究成果如下:(1)完善了现有套管同心条件下基于理想弹塑性模型的套管-水泥环-地层模型,给出了水泥环开始发生塑性变形和变为完全塑性时的临界压力解析解,分析了内压力从不同状态卸载时微环隙的特点。发现随着套管内压力的增加,水泥石从弹性状态变为弹塑性状态,直至变为完全塑性失去承载能力。(2)考虑到水泥石高围压下的强化特点,建立了套管同心条件下基于幂强化模型的套管-水泥环-地层模型。研究了压裂时水泥环的损坏和胶结面的失效,并与理想弹塑性模型进行了比较。结果发现相同条件下幂强化模型产生的微环隙更小。(3)在不同模型性中分析了水泥石力学性质对水泥环受力的影响。结果发现:理想弹塑性模型中弹性模量越低、单轴抗压强度越大越不容易产生微环隙。幂强化模型中材料参数K越大、n越小越不容易产生微环隙。因此建议在施工时采用低模量、高强度的水泥石,或者高K值、低n值的水泥石。(4)建立了套管偏心条件下的套管-水泥环-地层模型,研究了偏心度对水泥环受力和破坏的影响。结果表明:在薄弱处有受拉断裂的危险,以最薄处为判断基准建立了套管偏心条件下水泥环开始发生塑性和完全塑性的临界压力,发现随着偏心度越大临界压力越小,在偏心度达到50%时,临界压力也降低了约50%。通过研究压裂过程中水泥环在不同套管居中条件下的受力及破坏情况,有助于保障井筒完整性,有望为压裂施工提供指导。