微裂缝是水泥环封隔失效的主要原因之一,其有效的解决方法是微裂缝自封堵技术。目前,针对油气层窜流的水泥环裂缝自封堵技术比较成熟,并且遇油自修复固井水泥浆体系已在油田现场应用。但是油气藏通常具有边水、底水或水层,当水泥环出现裂缝时,容易出现水窜及水淹油藏的问题,而水泥环微裂缝遇油自封堵技术并不能有效解决水窜问题,因此有必要研发水泥环微裂缝遇水自封堵技术。该技术的基本指导思想是,在水泥中加入吸水膨胀树脂,当水泥石出现裂缝,导致地层水侵入时,树脂吸水膨胀堵塞裂缝。但吸水膨胀树脂会和水泥浆中的水剧烈反应,使得水泥浆的粘度增加,稠化时间缩短,抗压强度降低,因此在固井水泥浆中直接应用吸水树脂堵塞裂缝并不可行。本课题以开发出水泥石微裂缝遇水自封堵技术为目的,首先对适用于油井水泥的吸水树脂进行研究,并采用特殊工艺制备吸水树脂微球,然后基于树脂微球包裹开发水泥环微裂缝遇水自封堵材料;分析树脂微球封堵水泥石微裂缝的机理,并构建配套的评价方法,对水泥石微裂缝遇水自封堵性能进行评价。在聚丙烯酰胺吸水树脂基础上引入膨润土和N,N-二甲基丙烯酰胺单体,采用机械搅拌分散和自然沉降分散相结合的方法制备出丙烯酰胺/膨润土/N,N-二甲基丙烯酰胺三元复合吸水树脂微球。该树脂由于膨润土的骨架支撑及交联作用,具有高强度性能,可提高封堵能力;由于膨润土颗粒带有负电荷和N,N-二甲基丙烯酰胺的空间位阻效应,在水泥浆碱性环境中具有较好的稳定性。该制备树脂微球的方法依靠搅拌速度及水相与油相体积比确定微球粒径,然后在不采用分散剂的条件下,利用自然动力使微球边沉降边反应,有效避免微球粘连结块。树脂微球吸水膨胀后,与树脂接触的水泥石表面部分容易发生拉伸破坏,破坏水泥石的完整性。采用α型半水石膏作为包裹壳材,通过室温条件下使树脂吸水饱,然后在低温条件下释放水分,使树脂颗粒表面粘附石膏粉末颗粒,并提供石膏水化硬化所需的水分,实现在树脂微球表面包裹厚壁低弹性模量石膏壳,有效避免树脂微球膨胀破坏水泥石完整性。虽然在水泥浆中直接加入石膏粉末,会在固井界面处生成大量的钙矾石晶体,对固井界面胶结强度有明显的负面影响,但作为包裹壳存在的石膏,堆积硬化在树脂微球表面,对固井界面影响较小。采用分子量为15²0万,脱乙酰度为90⁹2%的壳聚糖对石膏壳进行二次包裹,以封堵石膏壳上的孔隙。由于壳聚糖的活性官能团-OH和-NH₂,可导致水泥浆初期稠度剧烈波动及水泥石抗压强度发展缓慢,所以在壳聚糖包裹过程中,增加交联剂的加量,并采用可提供Ca²⁺的强碱弱酸盐作为壳聚糖析出剂,以消耗壳聚糖的活性官能团。依靠壳聚糖膜表面的吸附水,将壳聚糖薄膜表面再包裹一层石膏壳,对壳聚糖膜进行保护,最终通过对吸水树脂微球的三次包裹,开发出水泥石微裂缝遇水自封堵材料。建立了水泥石微裂缝遇水自封堵微观模型,分析可知,只有当树脂微球吸水膨胀后可以与另外一个微球接触,这两个微球间的裂缝才能被有效封堵。并建立了可封堵的最大裂缝宽度的数学模型,计算可知,本课题开发的树脂微球可封堵的最大裂缝宽度达到100μm以上。基于逾渗理论,进行裂缝平面逾渗分析,建立了树脂微球在水泥石中的体心立方体分布模型,该模型可以保证任何一条垂直或水平裂缝平面上都存在吸水微球,根据平面逾渗阀值精确解析解,求解出水泥石微裂缝遇水自封堵材料的加量阀值λ=28.40%（BWOC）。构建了水泥石定量造缝方法,实现了水泥石微裂缝定量评价。采用自行开发的“水泥石微裂缝自封堵性能评价仪”对水泥石微裂缝遇水自封堵性能进行测试。测试结果表明,当水泥石微裂缝遇水自封堵材料的加量达到逾渗阀值时,实现了水泥石微裂缝遇水自封堵。该课题的研究成果对于保证水泥环长期密封性能具有重要意义,对于老油田调整井固井封堵高压注水层具有现实的工程意义。