在油气井固井工程中,套管与地层之间注入水泥浆形成的水泥环是保证油气井后续安全钻进与油气高效开采的关键。油井水泥石属于脆性材料,宏观性能表现为易脆裂、较低的劈裂抗拉强度和较差的抗冲击能力,在井下复杂应力环境易产生微裂纹,造成水泥环封固能力下降。随着石油勘探开发向着深井、超深井和非常规油气井的延深,井下地层情况越来越复杂,导致固井作业所面临的工况也越来越复杂。因此,采用增韧材料对水泥环的微观结构进行改善,对提高水泥环力学完整性和层间封固能力意义重大。论文首先对油井水泥石用的纤维/晶须类增韧材料进行系统的调研,采用两种不同种类的晶须材料对油井水泥石进行降脆增韧,并考察了钾质晶须与铝质晶须掺入油井水泥中对其力学性能及动态力学特性的影响。实验结果表明:在油井水泥中掺入钾质晶须与铝质晶须均能提高水泥石的力学性能,且能有效的降低试样的弹性模量,试样的抗冲击性能得到提高。其中,1.5%掺量的钾质晶须试样在养护28d后,试样的抗压、抗拉和抗折强度相比于空白试样提高了 23.3%、93.7%及27.9%,含钾质晶须试样的弹性模量为6281.7MPa,极限应变为4.48%,相比于空白试样降低了 25.5%,极限应变提高了 282.9%;6%掺量的铝质晶须试样在养护28d后,试样的抗压、抗拉和抗折强度相比于空白试样提高了 32.1%、101.3%及23.6%,含铝质晶须试样的弹性模量为7254.6MPa,极限应变为3.56%,相比于空白试样降低了 14.1%,极限应变提高了 204.2%;晶须材料的掺入使水泥石试样体现出较好的柔韧性。晶须水泥石的动态力学性能测试结果表明:在动态载荷下,晶须水泥石与空白水泥石表现出应变率效应,晶须的加入可以有效的提高基体的动态应力应变;各个试样的峰值应力、峰值应变、动态弹性模量随应变率呈弱幂函数增涨,体现了较强的速率依赖性;晶须材料的掺入可以提高基体的动态增强系数,高于空白水泥石,表明空白水泥石的应变率敏感性比晶须水泥石要低;在低应变率下,晶须水泥石对基体韧性的影响较大,随着应变率的提高韧性差距缩小;晶须水泥石比空白水泥石具有更好的能量耗散能力,在破坏时能有效地减少破坏程度,晶须水泥石能量耗散方面具有更加均衡的性质使其在承受动力荷载方面更具有优势。对水泥石试样进行TG、XRD、FIFR、SEM及孔径分布分析,探讨了晶须的掺入对油井水泥石微观结构的改善及其物相组成。测试结果得出:钾质晶须与铝质晶须的掺入不会影响水泥石的水化产物与水化进程,可以略微降低水化产物中CH的含量,较好的改善水泥石的孔隙分布;SEM测试结果表明,在水泥水化过程中晶须表面会附着水化产物,增强了晶须与基体的结合力,在受到外加载荷时,通过晶须的桥连效应、裂纹偏转效应、晶须的拨出效应及晶须的填充效应来增强油井水泥石的力学性能。研究选用的钾质晶须和铝质晶须的掺入均可以有效的提高油井水泥石的力学性能、抗冲击强度,改善水泥石微观结构。随着油气勘探向深部、低渗透、海洋和非常规领域的延伸,尤其是在页岩气井大规模体积压裂推广应用的形势下,对水泥石韧性要求越来越高,水泥石用晶须类增韧材料及其相对应的技术将会有更加广阔的应用前景。