井筒完整性关系到油气井的密封性与安全使用,是油气工程科技领域的热点和难点问题之一。本文以复杂工况定向井筒完整性为研究对象,从力学角度揭示井筒失效机理,科学评价井筒完整性状态,并推荐井筒完整性设计控制方法。针对弹性地层载荷作用下定向井筒力学分析问题,应用弹性力学和数学理论,推导了三维地应力作用下直井井筒和定向井筒力学状态的解析式,并与数值模拟结果进行了对比分析;应用该解析式,分析了某气田中地应力作用下井筒的力学状态,并评价了其井筒完整性。针对蠕变地层中定向井筒的复杂力学行为和高失效率问题,通过室内实验确定了盐岩的蠕变模型,提出了蠕变地层中定向井筒从建井到使用演变过程的数值模拟方法,可预测全生命周期内井筒的力学行为;并进一步考虑了不规则井眼、套管偏心及水泥环缺失等工程缺陷的影响;探索了井筒完整性的设计控制方法。针对断层活动对井筒完整性的影响问题,建立了穿越断层定向井筒的非线性接触有限元模型,并利用实验数据进行了验证;分析了某油田断层错动工况下井筒力学行为,评价了其井筒完整性;并推荐了井筒完整性的设计控制方法。针对水平井压裂工况套管失效和环空增压的问题,计算了水平井筒温度分布及温度和压力共同作用下环空体积的变化;考虑流体热膨胀系数和压缩系数随温度的变化,通过划分温变区间进行了分段求解;最终通过迭代求解了水平井压裂工况下生产套管的环空增压。在此基础上,预测了某地区页岩气水平井压裂施工引起的环空增压,并探索了相适应的套管设计新方法。研究结果表明:弹性地层载荷作用下定向井筒力学分析的解析解可以用来便捷、准确地分析三维地应力作用下定向井筒的力学与完整性状态;蠕变地层中定向井筒演变过程的数值模拟方法可以预测全生命周期内井筒的力学行为;蠕变地层与含工程缺陷井筒相互作用容易导致井筒失效,增大环空压力和套管内压,使用厚壁套管或内支撑工具可望提高蠕变地层中含工程缺陷井筒的完整性;穿越断层定向井筒的非线性接触有限元模型能够较准确地模拟井筒对断层错动的力学响应,在断层面附近采用低弹性模量水泥甚至不固井,以及减小定向井与断层面之间的穿越角,均有利于提高井筒的完整性;水平井压裂工况下套管极端载荷包括圈闭压力和环空增压,所提出的环空增压预测方法更适用于水平井生产套管。