在调研分析国内外井筒力学完整性研究基础上,主要采用理论分析和数值模拟方法对高温高压气井井筒管柱和水泥环力学完整性进行详细研究。(1)基于稳态管流模型和井筒径向传热模型,建立了气井井筒温度、压力耦合作用的预测模型,编写了相应的计算程序。通过对井筒温度场和压力场的模拟,对油管柱、水泥环的力学完整性分析和评价提供基础参数。(2)建立了油管柱变形和强度评价计算模型,编制了相应的计算程序。针对某气井坐封、关井、开采、酸压等工况,计算了油管柱变形并进行了强度计算,计算结果指导了油管柱的力学完整性设计和评价。(3)建立了考虑温度效应的套管-水泥环-地层围岩组合体线弹性力学理论模型,研究了套管内压、地层压力、温度效应对水泥环应力的影响。研究表明：在地层压力一定的情况下,随着套管内压力或温度的增加,将使水泥环受到的径向压应力增大,沿切向的拉应力增大,且压应力和拉应力在第一界面最大；套管内压一定时,随地层压力增大,水泥环沿切向逐渐由拉应力变为压应力,水泥环径向压应力也逐渐增大。(4)建立了套管-水泥环-地层围岩组合体热结构耦合计算有限元模型,利用AnsysWorkench计算平台,模拟了井筒温度、地层温度和水泥浆的放热速率对其径向热应力的影响。结果表明：地层温度和水泥浆的放热速率一定的情况下,井筒温度越高,水泥环受到的径向热应力越大,且在水泥浆中第一界面附近出现最大值；忽略水泥浆放热时,地层与井眼温差越大,水泥浆中径向热应力越大。(5)基于上述理论模型,研究了水泥环厚度和套管试压值对水泥环力学完整性的影响。研究表明：当水泥环弹性模量一定时,为了提高水泥环的力学完整性,地层弹性模量越小所需要的水泥环厚度越大；试压时,套管试压压力和水泥环弹性模量对水泥环的力学完整性有一定的影响。(6)建立了考虑水泥环高度的套管-水泥环-地层有限元模型,模拟研究了水泥环高度对其力学完整性影响。研究表明：自由套管段的鼓胀效应将在水泥环顶面以下局部范围内两界面处产生沿轴向的拉应力,当局部拉应力超过水泥环的胶结强度时,可能破坏高温高压气井水泥环力学完整性。通过增大水泥环高度和水泥环顶部钻井液液柱高度、减小井口套压值等措施可减小水泥环沿轴向拉应力值,从而提高水泥环力学完整性。(7)基于上述模型,同时研究了均匀和非均匀地应力对水泥环力学完整性的影响。研究表明：针对不同硬度的地层,通过优选水泥浆体系,改善水泥环弹性模量可提高高温高压气井水泥环力学完整性。研究成果对提高高温高压气井井筒完整性设计和管理水平,延长气井服役寿命,实现气井安全高效开发具有重要意义。