在页岩气开发过程中存在的井筒不完整性问题,影响了页岩气的安全高效开发,并可能导致大气、土壤和水环境等潜在的污染风险,亟待研究解决。本文针对页岩气井井筒完整性失效问题,从力学角度研究了页岩气井环空带压、套管变形等井筒完整性失效机理,分析了多种因素对页岩气井井筒完整性失效的影响规律,以期为页岩气井筒完整性设计控制提供科学依据。以页岩气井水平段和垂直段的水泥环分别作为研究对象,考虑压裂过程中套管内流体压力和井眼周围温度的周期变化对水泥环应力状态的影响,并针对页岩气井建井初期即出现的环空带压问题,建立了考虑完井过程的套管-水泥环-地层系统的力学分析模型,计算了页岩气井内水平段和垂直段水泥环在完井过程中的应力状态,并采用Drucker-Prager准则与抗拉强度准则评价了水泥环的服役状态。针对套管偏心造成的水泥环密封失效问题,建立了套管偏心条件下水泥环的应力计算模型。针对压裂导致的套管-水泥环界面和水泥环-地层界面的界面裂缝问题,建立了界面裂缝形成机理分析模型和裂缝宽度计算模型。最后,针对膨胀水泥随凝固时间变化的特性,建立了考虑时间效应的井眼内膨胀水泥环应力状态计算模型,计算分析了膨胀水泥对提高水泥环密封性能的效果。针对在页岩气井水力压裂过程中工具无法送入预定位置的情况,对页岩气井压裂过程的套管变形问题进行了研究。现场技术人员对套管变形点的测试结果显示,套管剪切变形是页岩气井套管变形的主要形式,由此判定水力压裂施工激活断层且造成的断层滑动是页岩气井套管变形的主要影响因素。根据压裂施工激活断层的不同形式,建立了三种不同类型的断层滑动计算模型,并分别计算分析了不同类型断层的滑动位移情况。针对断层滑动和水平段固井质量问题共同存在的情况,建立了考虑局部载荷作用的套管应力分析模型,分别研究了平行局部载荷和径向局部载荷作用下的套管应力状态,并对局部载荷作用下套管变形进行了数值模拟计算。从降低断层滑动和提高套管抗剪强度两个方面,提出了减小页岩气井套管变形的设计控制方法。