随着勘探开发和钻井技术的不断发展,复杂井的固井,特殊井固井数量增多,固井质量成为了人们最关心的问题。同时,为了稳产、增产油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业,由于水泥石韧性强度问题,这些容易导致水泥环产生裂纹,甚至会使水泥环的封隔作用失效,造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏,严重时造成油井报废。因此,研究固井水泥石的韧性强度对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。论文将水泥环应力分布的有限元模拟研究与室内水泥石韧性强度试验相结合;而后,对增韧水泥石微观结构进行观察,进一步阐述水泥石韧性强度变化原因,综合研究了水泥石的强度韧性性能。从有限元模拟方面,比较全面的分析了水泥环所处不同地应力环境、不同水泥环形状下的应力分布规律。结果表明:不同地应力对水泥环应力分布有较大影响,地层中最大主应力与最小主应力之比小于1.1时,水泥环上应力分布比较均匀;随着应力比的增加,水泥环应力不均度增加,这使得水泥环更加容易破裂。水泥环的形状对其应力分布也有较大的影响,随着水泥环椭圆度的增加,应力不均匀度先减小后增大;固井过程中套管偏心现象也增加了应力不均匀度。鉴于椭圆形水泥环对改善其受力状态有利。因此应该充分利用这一特点,在钻井过程中应适当降低钻井液密度,使井壁围岩应力得到适度的释放,促使井眼形成一定的椭圆度。从室内实验方面,优选出了增韧水泥石各种添加剂的配比,形成的增韧水泥浆体系不仅具有很好的流变性而且还具有零游离液含量的特点,完全能够达到固井要求而且还能提高固井质量。通过对水泥石力学性能、抗流体窜层能力和抗盐酸腐蚀能力的实验研究,发现:增韧水泥石的强度韧性明显提高,常温常压养护48h后,在非均匀加载方式、加载幅度2MPa下,抗压强度可以达到70MPa,轴向变形能力可以提高约3倍;轴向变形能力的增加反映了水泥石韧性的提高,韧性的提高又有利于水泥环应力不均度下降,下降幅度最大可达10%;同时,增韧水泥石防流体窜层能力,抗盐酸腐蚀能力都有大幅度提高。借助于电子扫描镜,通过对增韧水泥石微观结构的观察,发现水泥石内部结构更加密实,增韧剂参与了水泥石的水化反应,在羟钙石表面镶嵌着一定量的增韧剂胶乳颗粒,其晶体内部夹杂无数的胶乳小粒子。使得水泥石非渗透性增强,抗腐蚀能力提高,水泥石硬化体体积收缩小,在抗压实验中,吸收了部分应力,提高了水泥石的抗压强度和变形能力。