随着全球对能源需求的不断扩大,海上油气勘探开发也不断向深水进军。相比于常规油气井,深水井面临着特殊的海洋环境和地层条件,导致深水井开发的难度增大,井筒完整性面临巨大的挑战,一旦井筒完整性失效可能导致重大安全事故的发生,如“深水地平线事件”。因此,开展井筒完整性安全评价对保证深水井安全高效开采具有重要意义。本文充分调研了国内外深水井井筒完整性研究进展,分析了其失效的主要原因。结合国内外井筒完整性相关标准、规范及推荐作法,根据井筒组件的性质和功能,将深水井井筒屏障划分为实体屏障和操作屏障两大类。由于深水井油、套管和水泥环力学评价法与常规井没有实质性的差异,因此本文针对深水特殊环境,主要研究生产过程中深水井浅层气渗流和地层天然气水合物分解对井筒安全的影响。首先,根据浅层气状态方程、运动方程、连续性方程,建立了浅层气在水泥环中的渗流方程;根据气、液混合相的连续性方程和动量方程建立了浅层气在环空流体中的渗流方程;结合气体体积变化和状态方程建立了浅层气渗流诱发的环空带压计算模型。根据某深水井的基本参数,分析了水泥环渗透率和厚度、水泥返深、渗流时间、气体粘度以及地层压力等参数对环空带压的影响规律。然后,根据井筒传热机理、动量守恒以及能量守恒定律建立了多环空深水井生产过程井筒温度、压力场计算模型,分析了产量和生产时间对井筒温度场的影响规律;基于井筒温度场和天然气水合物相平衡理论,建立了深水井浅部地层天然气水合物分解动力学模型和热力学模型,基于热力学模型和实例井基本参数对天然气水合物分解产气速率和累计产气量进行了敏感性分析;根据天然气水合物分解过程中孔隙体积相容性建立了天然气水合物分解产生的超孔隙压力计算模型,分析了水合物饱和度、温差、分解时间等参数对超孔隙压力的影响规律。最后,建立了深水井套管-水泥环-地层组合力学分析模型,结合某深水井基本参数对其井筒完整性开展了安全评价。探讨了浅层气渗流诱发的环空带压对表层套管应力和安全系数的影响,天然气水合物分解产生的超孔隙压力对表层套管和水泥环应力及安全系数的影响。对比分析了考虑天然气水合物分解和不考虑天然气水合物分解两种情况下,产量对表层套管和水泥环安全系数的影响规律,以期为提高深水井井筒完整性,延长深水井井筒服役寿命提供更多的理论依据。