近年来,高温高压油气井环空带压问题日益突出,使得油气井的安全生产和油气井寿命都面临着巨大挑战。形成环空带压的主要原因是油气井套管-水泥环-地层组合体应力的变化,而固井后的试压、试油、生产、压裂等不同工况引起的套管内压力变化、温度变化、环空压力变化以及围压变化,均会造成套管-水泥环-地层组合体应力变化。因此,开展高温高压井套管-水泥环-地层组合体应力变化规律研究迫在眉睫。本论文采用室内实验和数值模拟相结合的方法,研究了套管-水泥环-地层组合体应力分布问题。室内实验主要基于全尺寸高温高压水泥环应力监测实验装置进行测试,并根据厚壁圆筒理论,提出了一种模拟井下高温、高压条件下套管-水泥环-地层组合体应力测试实验方法,开展了不同套管内压力变化、不同温度变化、不同环空压力变化以及不同围压变化下的套管-水泥环-地层组合体应力分布实验研究。数值模型以考虑套管和地层为弹性体,水泥环为弹塑性体为基础,运用混凝土损伤塑性理论(CDP)建立而成,并与实验物理模型进行了对比校正,进而分析出实际工况下套管-水泥环-地层组合体应力变化规律。分析结果表明,根据南海实际地层条件与施工状况,建立的基于Cohesive单元和CDP塑性损伤理论的物理模型和提出的判断准则进行模拟,发现与实验结果有很高的契合度;运用室内实验和数值模拟中的等效塑性应变PEEQ、损伤系数SDEG、压缩破坏系数DAMAGEC以及拉伸破坏系数DAMAGET对组合体应力分布规律进行研究,结果表明:套管内压力的变化对水泥环一界面损伤系数影响较大;温度变化对水泥环一、二界面损伤系数相对与套管内压力变化引起的界面损伤系数变化影响较小;环空压力变化对一、二界面损伤系数影响程度接近一致;围压变化对水泥环二界面损伤系数影响较大。通过实验与数值模拟总结了南海不同工况下水泥环本体以及界面发生破坏时的套管内压力、环空压力以及地层变化的大小。该研究成果对不同工况下参数的优选以及施工过程中的压力管控提供了重要的指导意义。