復雜環境下水泥環全生命周期密封完整性研究進展與展望

丁士東，陸沛青，郭印同，李早元，盧運虎，周仕明

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室,北京 102206；2.中石化石油工程技術研究院有限公司,北京 102206；3.中國科學院武漢巖土力學研究所,湖北武漢 430071；4.西南石油大學研究生院,四川成都 610500；5.中國石油大學（北京）石油工程學院,北京 102249）

固井水泥環是支撐套管、封隔油氣水層、保障井筒密封完整性的核心屏障，貫穿鉆井、完井、儲層改造、油氣開采等油氣井全生命周期。目前，國內油氣勘探開發正在向“兩深一非”油氣領域進軍，固井面臨高溫（>150 ℃）、高壓（>105 MPa）、高地應力（>250 MPa）和高酸性流體（如普光氣田，H2S 含量達15%，CO2含量達8%）、大規模體積壓裂等極端作業環境，環空氣竄、水泥環損傷、水泥石腐蝕等復雜問題頻發[1–2]。

為了解決復雜油氣井水泥環全生命周期密封完整性控制難題，國內外學者嘗試了向水泥漿中添加多種功能助劑優化水泥漿性能，結合井筒頂替效率強化、精細控壓、環空加壓等固井工藝，較大地提升了井筒–水泥環–地層的膠結質量，在一定程度上滿足了復雜油氣井固井需求，但應用效果差異大。究其原因，一是水泥環面臨復雜環境和復雜工況，對水泥漿液固態轉化期的油氣水竄理論和水泥環在多因素耦合作用下密封失效機制的基礎研究尚不深入，密封完整性定量評價技術、特色水泥漿體系構建及長效密封固井技術缺乏精準科學指導；二是未突出全生命周期控制理念，沒有實現從注水泥、壓裂完井作業到后期長期生產的全過程控制。整體而言，以優化稠化時間、流變性能、頂替效率、抗壓強度為核心的水泥環膠結質量強化技術，已無法滿足復雜地層、復雜流體、復雜工況條件下全生命周期密封完整性需求。

針對上述問題，筆者介紹了水泥環密封完整性研究現狀，概述了復雜環境下水泥環全生命周期密封完整性研究進展，分析了目前水泥環密封完整性控制存在的主要問題，指出了未來應解決的基本理論和科學問題，并對相關技術進行了展望，以期為我國復雜環境固井技術的發展提供指導，支撐深層及非常規油氣資源安全高效開發。

1 主要研究進展

近年來，固井水泥環密封完整性研究在高溫高壓下水泥水化及防竄理論，動載環境下水泥環完整性，腐蝕環境下水泥石演化機制、完整性監測、評價與改善技術等領域取得了持續進展。

1.1 高溫高壓環境下水泥水化及防竄控制研究

固井水泥漿候凝過程中，水泥漿多相介質從顆粒堆積體逐漸轉變為骨架–孔隙結構[3]（典型水泥漿“液–固”態轉化期的典型微觀結構如圖1 所示），并逐步稠化、凝結，造成水泥漿靜液柱壓力大幅度下降，導致井底壓力失衡，誘發高壓油、氣、水侵入環空，嚴重威脅固井質量與油氣井作業安全。因此，揭示水泥水化特征與演化規律，完善高壓油氣井水泥漿防竄流理論，是預防早期環空竄流的重要途徑。

圖1 典型水泥漿“液–固”態轉化期的典型微觀結構Fig. 1 Typical microstructure during the "liquid-solid" state transition of typical cement slurry

在水泥水化動力學特征分析及微觀結構預測研究方面，目前已形成壓汞法、氣體吸附法、掃描電鏡、微CT、核磁共振、電阻率響應等多種測試技術[4–5]，可精準觀測水泥水化產物與固相微結構，建立了形核–生長模型等多套水化動力學模型[6–7]。研究發現，水泥漿液柱壓力降低的本質是微觀結構的細微變化，塑性態水泥漿中小顆粒的數量和連接現象明顯增加，宏觀上表現為水泥漿流變性和靜膠凝強度突變，當水泥漿硬化后，可清晰觀察到大量針狀產物。上述研究主要聚焦建筑環境的水泥水化與微觀結構演變進程，可較為準確地預測水泥硬化后的力學性能。但是，針對油氣井井下“液–固”態水泥漿的動力學過程、微觀結構、孔溶液運移、靜膠凝強度與靜液柱壓力，特別是高溫、高壓油氣井等復雜環境下水泥的微、細、宏觀水化演變特征與竄流響應機制，研究有待深入。

在固井竄流理論與控制方法研究方面，由于水泥漿是液–固兩相演變性材料，受限于復雜的理化反應過程，普遍以靜膠凝強度近似表征水泥液–固態轉化期。因此，基于膠凝懸掛理論，建立了一系列早期防竄預測模型與理論，包括竄流潛能因子法、性能響應系數法、綜合因子法、膠凝失水系數法等[8–9]。上述研究成果與觸變、延緩膠凝、乳液等防竄水泥漿體系結合，采取環空加壓、脈沖振動、套管外封隔器等技術措施，在中淺層固井實踐中取得了較為顯著的成效。但是，大量實踐[10–11]表明，在高溫、高壓、窄環空間隙等條件下，靜膠凝強度難以表征水泥漿因自支撐、水化放熱、化學膨脹與收縮、孔隙滲透率降低等因素產生的靜液柱壓力變化，傳統預測模型與控制方法亟需改進。

整體而言，前人在水泥漿測試技術與膠凝懸掛理論方面奠定了良好的研究基礎，但面對日益復雜的地質工況環境，對水泥早期水化動力學過程、組織結構及水化產物特征缺乏精準描述，微、宏觀尺度下的靜液柱壓力演變規律有待進一步揭示，水泥漿“液–固”態轉化期竄流風險預測模型亟待建立，防竄水泥漿體系構建準則與控制方法亟需完善。

1.2 動載環境下水泥環密封完整性研究

體積壓裂作業是非常規油氣開發的關鍵技術，大量壓裂液注入造成水泥環的溫壓環境和載荷發生較大變化，導致環空密封失效問題愈發突出[12–13]，水泥環本體和界面均存在潛在的密封失效風險。

在水泥環本體完整性研究方面，水泥石單因素常規力學性能測試所得到的水泥石力學參數，已無法滿足復雜載荷下水泥環結構完整性定量設計的需求[14–15]。截至目前，鄭友志等人[16]從水泥漿體系配方、加載速率、圍壓、溫度等多個方面對水泥石的力學特性進行了較為全面的研究；王磊等人[17]研究了高溫循環載荷下，偏應力–應變曲線的滯回性和塑性應變的持續累積（見圖2）；李軍等人[18]建立了套管–水泥環–圍巖組合體彈塑性分析模型；席巖等人[19]基于常規彈塑性本構模型開展了水泥環有限元模擬分析；S.M.Zhou 等人[20]基于室內高溫循環載荷試驗結果，對數值模型中的水泥環力學參數進行動態更新，實現了對體積壓裂下水泥環塑性應變持續累積的模擬。但由于彈塑性本構方程在單一屈服面和固定力學參數上的局限性，尚無法真實有效模擬體積壓裂循環載荷工況下水泥環的損傷和殘余變形的持續累積。

圖2 高溫循環載荷下的水泥石偏應力–應變曲線[17]Fig. 2 Stress-strain curve of cement stone under cyclic loading at high temperature

在水泥環界面完整性研究方面，水泥環與套管之間的固井第一界面已經得到充分研究，水泥環與井壁圍巖共同形成的固井第二界面是固井界面密封失效的主要形式[21]。截至目前，郭辛陽等人[22]通過物理模擬試驗，研究了高溫高壓環境下巖心附著濾餅及動態沖洗后的界面膠結強度；顧軍等人[23]采用固井二界面封隔能力仿真評價裝置，測試了固井二界面在氣侵和水侵條件下的封隔能力，并提出了固井二界面系統封固的概念。在固井第二界面密封失效機制方面，郭辛陽等人[24]認為濾餅以及水泥石體積收縮導致的界面微環空是造成固井二界面密封失效的重要原因之一；N.Opedal 等人[25]采用SEM 揭示了水泥漿—濾餅—巖石過渡界面的復雜膠結特征和沖剪作用下的界面破壞方式。但是，針對模擬體積壓裂產生的動載造成固井第二界面失效的研究很少。

整體而言，前人對水泥環本體和界面的密封失效及結構完整性的研究已經取得了一定進展，但在非常規油氣大規模體積壓裂過程中，井筒內溫度和壓力多周期、高幅值波動，水泥環及其膠結界面受到高強溫壓循環載荷作用，必將進一步加劇井筒環空密封失效的風險，該方面的基礎理論研究相對薄弱。

1.3 酸性環境下水泥石腐蝕研究

國內對酸性氣體腐蝕固井水泥石的研究起步于20 世紀90 年代中后期，伴隨海相碳酸鹽巖油氣藏的勘探開發，高含CO2、H2S 氣藏的固井水泥環腐蝕問題受到廣泛關注。在腐蝕機理方面，通過水泥石腐蝕試驗、熱力學計算和腐蝕產物、孔溶液表征研究，總結了CO2和H2S 腐蝕的作用機理[26–27]。CO2對固井水泥石的腐蝕包括CO2水解過程、碳化過程和淋濾脫鈣過程。H2S 腐蝕包括H2S 溶解、H2S 或HS?氧化生成SO42?、水化產物分解和膨脹型腐蝕產物等幾個過程。但由于水泥石的構成復雜，水泥石腐蝕速率和程度受自身材料組成、孔滲特征、溫度、壓力和腐蝕介質相態（液態、氣態、超臨界狀態）等多因素影響，多種反應過程相互交織。

在腐蝕評價方法和腐蝕規律方面，為了盡可能模擬和還原井下復雜的腐蝕環境，通過建立不同腐蝕（如液相腐蝕[28]、氣相腐蝕[29]、界面腐蝕[30]、全浸泡腐蝕[31]）評價方法，開展了不同因素下CO2、H2S對水泥石微觀結構、物相組成和力學性能影響的研究。溫度和壓力升高，一方面會加快腐蝕介質的擴散、運移和腐蝕反應速率，水泥石腐蝕損傷加速；另一方面，也會影響CO2、Ca(OH)2、CSH 等腐蝕反應物的溶解度、腐蝕產物的沉淀以及水泥的水化，出現孔滲降低，腐蝕過程受抑制。腐蝕介質相態對水泥石腐蝕的影響同樣存在不同結果和認識[32]，一種結果顯示，氣相腐蝕介質具有較低的黏度，更容易通過水泥石中的孔隙侵入發生反應，故氣相條件下的腐蝕速率更快；另一種結果顯示，水濕條件下，腐蝕介質和Ca（OH）2更容易溶解，腐蝕產物更容易分解運移，故在液相條件下的腐蝕速率更快。

在腐蝕產物和腐蝕速率預測和模擬方面，采用熱力學計算，揭示了腐蝕條件對腐蝕產物、pH 值和離子濃度的影響，為不同因素的作用機制研究提供了依據[33]。通過建立經驗模型[34]、動力學模型[35]和人工智能?大數據處理[36]等方法，量化了不同因素對CO2腐蝕過程的主導作用，對孔隙度、滲透率、腐蝕深度等參數進行了預測。通過分析腐蝕因素的作用規律和機制，形成了降低水泥石滲透率和減少可腐蝕物相的防腐設計原則，有針對性地開發了以粉煤灰、膠乳、環氧樹脂、微膠囊等[37–38]為防腐材料的水泥漿體系（防腐水泥漿體系設計思路如圖3 所示），在一定程度上改善了水泥環的防腐能力。

圖3 防腐水泥漿體系設計思路Fig. 3 Design idea of anticorrosive cement slurry system

整體而言，前人在單相酸性氣體腐蝕方面奠定了良好的研究基礎，但面對國內高酸性氣藏（含H2S、CO2）日益復雜的工況環境，需要在現有研究基礎上，結合水泥水化熱力學模擬，建立考慮水化產物含量、孔滲結構演化的，適合于H2S 和CO2耦合的腐蝕動力學模型，并進一步量化描述復雜條件下的腐蝕規律，明確水泥環腐蝕劣化的主控因素和損傷機制，精準指導防腐蝕水泥漿體系的開發。

1.4 固井水泥環完整性監測技術研究

水泥環性能原位評價與監測，作為分析與判斷水泥環長期密封完整性的重要技術，對保障后續油氣資源的安全、高效開采發揮著至關重要的作用。水泥環性能評價與監測依賴于有效的監測方法和井筒完整性動態演化分析技術。

在監測方法方面，目前現場主要采用的技術方法都是基于聲幅測井原理發展而來的，例如水泥膠結測井（CBL）、聲幅/變密度測井（CBL/VDL）、扇區水泥膠結測井（SBT）以及后來發展的聲波、超聲波測井技術[39–40]。上述方法只能在固井結束后提供某一時刻固井質量的“快照”，無法捕捉油氣井生產中井筒完整性失效的連續發展過程。為此，需要研發一種可以提供實時監測信息的連續監測與測量技術，來彌補上述技術方法的不足。國內外針對水泥環實時監測技術的研究較少，目前實時監測技術的研究主要聚焦在套管內流體、油氣井生產動態以及近井筒油藏單類監測信息等方面。相對而言，國外在該方面的研究起步較早，一些大型油服公司已經研發了基于“光纖傳感器+光纜”的光纖系統和“壓敏傳感器+電纜”的電子系統2 類永久井下測量裝置，可以用來實時監測不同環境條件下產層流體的壓力和溫度。國內各大油田隨后研發的永久井下測量裝置目前也已成功應用于現場，為油氣生產提供了準確有效的數據支撐[41–42]；中國石化等單位研制了可標定測井質量的全尺寸固井水泥環模擬井群（見圖4），為監測裝置提供了室內測試平臺。借鑒上述監測技術的成功經驗，結合應力、應變、滲透率等相關參數的檢測方法，可以研發實時監測水泥環密封完整性的裝置。

圖4 用于修正測井方法的全尺寸固井水泥環模擬井群Fig. 4 Full-size cementing ring simulation of a well cluster for modified logging methods

在井筒完整性動態演化分析方面，國內外學者普遍采用地層–水泥環–套管組合體地質力學模型，通過理論分析和數值模擬2 種方法，開展水泥環完整性動態演化規律分析。具有代表性的分析方法主要有：以M.Thiercelin、殷有泉等人[43–44]為代表發布的解析力學模型和以M.Bosma、K.E.Gray 等人[45–46]為代表建立的分步有限元計算模型。數值計算模型可以用于分析鉆井、完井及后續作業各個階段井周地應力的重新分布情況及地應力重新分布對水泥環應力狀態的影響，故適用范圍更廣。但是，由于目前缺乏對水泥漿凝固過程中應力狀態演化規律的深入認識，通常對其進行一些經驗性假設。為了準確分析水泥環全生命周期應力狀態，下一步研究的重點應放在水泥漿凝固過程中應力演化狀態的準確表征上。

整體而言，前人在固井質量評價和井筒完整性分析等方面奠定了良好的研究基礎，但面對深層鉆采中的苛刻工況條件與非常規油氣的賦存環境，需要進一步攻關水泥環全生命周期監測方法、井下原位監測裝置、數據挖掘與分析方法等。

1.5 固井水泥環完整性評價及改善研究

在水泥環密封完整性評價體系方面，國外已有水泥環完整性管理軟件（WIMS）、水泥環完整性評價系統及管控體系等，但主要適用于海上中淺層油氣井，且大都為定性評價，并不適用定量評價復雜油氣井水泥環的完整性。國內在這方面的研究和應用起步相對較晚，目前建立了水泥環完整性系統模型、綜合水泥環力學及腐蝕環境等因素定量與定性相結合的完整性評價方法和關鍵節點風險概率的評價模型，制定了含硫酸性氣井水泥環完整性評價指南和管理規范[47–51]。提出了水泥環完整性評價的思路，建立了簡單的評價模型，但未形成基于全生命周期的水泥環完整性失效風險識別和定量評價體系及軟件。

在水泥環密封完整性固井技術方面，通過在水泥漿中添加納米液硅、膠乳、聚合物等材料，利用納米填充、成膜等功能增大水泥漿的密實性，提高防氣竄能力[52–53]。利用彈性粒子、膠乳、纖維等材料，降低水泥石的彈性模量，研發了彈韌性水泥漿，以滿足大規模體積壓裂下水泥環的密封性，且在中淺層頁巖氣井應用中效果較好[54–59]。為了有效控制水泥環的腐蝕，研發了活性、惰性耐腐蝕材料，形成了防腐水泥漿體系，以滿足酸性氣藏防腐蝕需求。但是，僅以彈性模量這一單一性能為主要評價指標，已不能滿足壓裂載荷更高的深層頁巖氣井水泥環密封完整性評價之需，否則會導致環空帶壓率高。在高溫高壓及H2S、CO2等酸性氣體聯合腐蝕環境下，防單一酸性氣體腐蝕的水泥漿體系，難以滿足長期生產過程中水泥環防腐要求。

在固井技術規范方面，國內外主要是固井材料、固井工具及附件、試驗評價方法、固井設計、固井工藝及固井質量等方面的標準和技術規范，尚未建立提高水泥環密封完整性技術規范。

2 關鍵科學問題及技術難題

保證全生命周期水泥環密封完整性，已經成為復雜油氣藏安全高效開發亟待解決的重大技術難題，首先需要解決3 大關鍵科學問題。

1）水泥漿竄流問題。在注水泥漿和固井候凝階段，針對水泥漿“液–固”態水化進程、膠凝產物與靜液柱壓力演變規律不清，易形成早期竄流的問題，需要建立水泥漿“液–固”態轉化期物化特征精準評價與表征方法，闡釋水泥漿“液–固”態轉化期水化進程微、宏觀協調響應機制，創建水泥漿“液–固”態轉化期竄流理論與預測模型，構建水泥漿“液–固”態轉化期竄流控制方法，形成水泥漿“液–固”態水化特征表征及流體竄流理論。

2）水泥環損傷失效問題。在大規模體積壓裂階段，針對非常規油氣開發中多周期溫壓交變動載作用后水泥環密封失效導致環空帶壓的問題，需要通過研究溫壓耦合動載下水泥石本體及界面微觀損傷特征的演化規律，從機理上刻畫和描述水泥環本體及界面密封失效的損傷機制，提出復雜動載下水泥環本體及界面密封失效判據，建立高強壓裂改造中水泥石防損傷力學性能控制準則，最終揭示溫壓耦合動載下固井水泥環本體及界面密封失效機理。

3）水泥石腐蝕問題。在生產階段，針對高溫高壓、高酸性油氣井復雜環境下水泥環面臨的腐蝕結構破壞和性能劣化難題，需要通過多因素耦合腐蝕試驗、跨尺度表征試驗和熱力學、動力學及數值模擬等研究，建立水泥水化過程和H2S/CO2擴散—溶解—反應耦合過程的腐蝕動力學模型，提出腐蝕后水泥各物相組分、孔結構及力學參數變化對水泥環宏觀力學性能影響的量化方法，闡明多因素耦合作用下水泥腐蝕熱力學和動力學演變機制。

在解決水泥環密封完整性失效關鍵科學問題的基礎上，需要進一步攻克以下 2 項關鍵技術難題。

1）水泥環密封完整性監測技術。面對深層與非常規油氣開發過程中的復雜環境與苛刻工況條件，需要開展水泥環全生命周期監測方法研究，發展水泥環性能監測數據的挖掘與分析方法，揭示在復雜環境和苛刻工況耦合作用下的水泥環全生命周期密封失效機理和演化規律，研究基于監測數據驅動與模型驅動的水泥環密封完整性動態演化預測方法，實現水泥環密封能力“連續、定量、精準”監測，形成水泥環密封完整性全生命周期監測技術。

2）水泥環完整性控制技術。針對高溫高壓油氣井、非常規油氣及高酸性氣井水泥環密封失效技術難題，構建全生命周期完整性定量評價體系，開發高溫防竄、彈性增強、酸性防腐等水泥漿體系，建立固井技術規范，構建復雜油氣井水泥環密封完整性固井技術。

3 關鍵理論與技術展望

水泥環全生命周期密封完整性是實現油氣高效勘探和效益開發的關鍵，隨著復雜油氣藏勘探開發不斷深入，全生命周期密封完整性控制已成為復雜油氣井固井的發展趨勢。未來應基于“理論研究與試驗驗證”、“室內研究與現場應用”和“基礎科學與應用技術”三結合的總體思路，圍繞關鍵科學問題和技術難題，大力攻關水泥漿“液–固”態轉化期水化特征及竄流理論、復雜動載下水泥環結構完整性失效機制及控制方法、復雜地質環境下水泥石動態腐蝕機制及控制方法、水泥環性能監測及密封完整性構建方法、復雜油氣井全生命周期密封完整性評價體系及強化技術等內容，實現復雜環境下水泥環密封完整性理論創新、技術突破與現場示范應用的統一，突破復雜油氣井全生命周期密封完整性技術瓶頸，保障國家能源安全。

3.1 水泥漿“液–固”態轉化期水化特征及竄流理論

研制轉化期全尺寸原位測試裝置，構建模擬井筒，精準獲取高溫、高壓等復雜環境下水泥漿靜液柱壓力、孔隙結構、孔溶液分布、膠凝態滲透率、靜膠凝強度、體積收縮與水化熱等物化參數的演變特征，建立水泥漿“液–固”態三維空間分布、形狀與微觀結構的原位綜合表征方法，構建水泥漿“液–固”態轉化期水化特征精準評價與表征方法。在多尺度水泥漿試驗的基礎上，研究水泥水化反應動力學特征，闡明水化反應進程、流體性能、孔隙結構與孔隙溶液的演變關系，分析連續相與非連續相壓力傳導關鍵介質，建立高溫高壓固井水泥漿微觀結構預測模型，闡述水泥漿靜液柱壓力演變規律，揭示水泥漿“液–固”態轉化期演化機制及壓力傳導機制?；谒酀{微觀流動計算模型，分析孔隙溶液流場、流速及流量等關鍵流動特征，結合井筒溫度、壓力、幾何尺寸、地層壓力等關鍵參數，形成水泥漿靜液柱壓力演變計算方法，闡明水化產物與靜液柱壓力對早期竄流的影響規律，構建竄流風險響應預測模型，精準分析、評價候凝階段的竄流風險，建立水泥漿竄流風險預測模型。分析防竄流主控因素，構建控制水泥漿物化參數的準則，指導防竄流水泥漿功能材料與體系研發，根據竄流演變規律，建立環空漿柱結構設計、施工壓力精細控制與候凝期環空壓力實時調控方法，形成水泥漿竄流控制方法。

3.2 復雜動載下水泥環結構完整性失效機制及控制方法

研究水泥石在溫度壓力交變載荷作用下的三軸力學行為特征，建立水泥石體積變形及開裂等損傷行為定量表征方法，揭示微觀結構演變與宏觀損傷響應規律，建立復雜動載下水泥石損傷本構方程，明確交變次數和幅值等因素對水泥石損傷累積演化的影響規律，明確水泥石力學行為特征及損傷演化機制?；谌叽缢喹h動態密封模擬試驗系統，構建結構完整性定量測試、表征和評價方法，揭示不同溫壓循環周期、交變幅值等因素下水泥環軸向、徑向應變特征及塑性累積規律，闡釋水泥環本體損傷、界面劣化與密封失效響應機制，建立水泥石力學性能與結構完整性失效對應機制，提出影響水泥環結構完整性的主控因素，揭示水泥環結構完整性失效機制。優化能夠準確描述水泥環本體損傷和界面劣化的指標體系，通過進行多元函數非線性回歸分析，建立水泥環多因素耦合動載損傷預測模型。歸納、總結環空密封失效的各種類型，明確各密封失效臨界狀態下的損傷指標體系閾值，建立復雜動載下水泥環本體及界面密封失效判據，構建水泥環多因素耦合動載損傷預測模型。闡明非常規體積壓裂高強、高幅值、高頻特征的影響規律；獲得地質、工程參量與水泥石力學性能的關系圖版，建立高強壓裂改造水泥石性能控制準則，明確適用于復雜動載下的固井膠結強化彈韌性水泥漿體系指標，提出井筒應力響應預測與水泥環結構完整性定量設計方法，形成水泥環結構完整性控制方法。

3.3 復雜地質環境下水泥石動態腐蝕機制及控制方法

建立模擬高溫高壓條件下H2S/CO2以及高礦化度流體耦合腐蝕評價方法，開展水泥石腐蝕試驗，表征水泥石腐蝕過程中孔滲結構、腐蝕深度、孔溶液離子、物相組成的演化過程，結合水泥水化過程熱力學模擬，精確量化水化產物和腐蝕產物組成變化，揭示耦合腐蝕條件下水泥物相生成與轉化規律，明確多因素耦合腐蝕下水泥石組分結構演化機制?；谒嗨療崃W模擬結果及多孔介質多場耦合理論，建立考慮H2S/CO2溶解—擴散—反應和水泥水化過程的腐蝕動力學模型，形成高溫高壓條件下酸性氣體–高礦化度流體腐蝕速率預測方法，揭示腐蝕介質在水泥基體內的擴散傳質特性、作用規律，闡明水泥石多因素耦合腐蝕動力學機制。綜合細觀力學表征和熱力學模擬結果，建立腐蝕水泥石力學參數預測方法，構建腐蝕條件下水泥石細觀數值模型，開展腐蝕水泥石應力–應變行為模擬研究,結合腐蝕速率預測模型，形成多因素耦合腐蝕條件下的水泥石耐久性預測方法，構建水泥環多因素耦合腐蝕劣化模型。依據水泥石耐久性預測方法，開展溫度、H2S/CO2壓力、高礦化度流體離子含量等因素對腐蝕水泥石力學封隔性能影響研究，明確腐蝕主控因素及作用機理，提出水泥石抗腐蝕控制準則，指導耐腐蝕材料和防腐水泥漿體系開發。

3.4 水泥環性能監測及密封完整性構建方法

基于復雜賦存環境和苛刻工況下水泥環密封失效特征，提出水泥環全生命周期密封能力監測設計原則，研究傳感器最優測點展布方法并提出傳感器選型原則，形成數據采集系統與數據傳輸系統的設計原則和方法，研制固井水泥環長期密封能力監測儀器。研究井筒物理場與高精度傳感器布設方式對監測信號的擾動規律，建立全生命周期水泥環感知性能與密封失效特征信號的提取方法，明確水泥環電阻、聲波信號和受力與變形協調關系，構建水泥環密封性能全生命周期識別方法。揭示井筒完整性長期力學行為、機理和演化規律，研究水泥環應力、變形等性能統計模型及建模方法，構建水泥環孔隙介質流–固–熱–化多場耦合模型，提出水泥環全生命期應力/應變狀態計算方法，實現多場耦合下水泥環密封失效動態預測，闡明全生命周期密封完整性演變規律與失效機制。建立全生命周期完整性分析方法，闡明復雜工況下水泥環防竄（靜液柱壓力、壓力衰減率等）、防損傷（強度、極限應變、彈性模量等）與防腐蝕（堿性晶體含量、滲透率、孔隙度等）密封完整性構建方法，構建全生命周期密封完整性失效定量評價技術，提出關鍵參數控制準則。

3.5 復雜油氣井全生命周期密封完整性評價體系及強化技術

開展高溫高壓油氣井、非常規油氣井、高酸性氣井全生命周期水泥環密封完整性風險識別與預測研究，辨識主要風險因素，建立基于大數據的水泥環數字孿生井筒模型，開發全生命周期密封完整性評定量價體系與軟件。針對不同類型復雜油氣井密封完整性失效風險特征，開發防竄、防損傷、防腐蝕關鍵功能材料，研發高壓防竄致密水泥漿體系、彈性增強防損傷水泥漿體系、酸性防腐低滲透水泥漿體系。針對各類復雜油氣井竄流風險高、易損傷、酸性環境惡劣特征，研究全生命周期水泥環密封完整性設計方法，開發精細控制固井技術和工藝，建立復雜油氣井固井流程與設計規范，形成提高水泥環全生命周期密封完整性的配套技術。

4 結束語

隨著油氣勘探開發的深入，傳統的以提高水泥環膠結質量為核心的固井理念、方法和技術，已經不能滿足復雜油氣藏長期安全高效勘探開發需求。面對日益復雜的地質和工況條件，需要針對深層超深層油氣和非常規油氣勘探開發面臨的新挑戰，突出水泥環全生命周期控制理念，聚焦水泥環密封完整性失效關鍵科學問題和技術難題，持續加強基礎理論創新、關鍵技術創新與產學研一體化應用，將實驗研究、理論分析、技術研發和礦場試驗有機結合，構建復雜環境水泥環全生命周期密封完整性理論體系，突破復雜油氣井全生命周期密封完整性固井技術瓶頸，實現技術升級換代，保障我國復雜油氣資源安全高效開發。