随着石油勘探开发的进程,钻遇低压地层、薄弱地层等容易发生漏失的地层越来越多,低密度水泥浆体系正是伴随着这些复杂情况的处理而逐渐发展和完善。从油气开发过程来看,水泥环的层间封固能力,即在油气井固井后期增产作业和生产过程中,适应井下工况,有效防止地层流体窜流的能力,直接关系到油气井的安全和生产寿命。针对国内某油田低密度(1.2g/cm3)固井水泥环在井下工况条件下,水泥环性能能否满足后期开采的要求,实现有效密封的问题,本文从低密度水泥石力学性能、水泥石体积收缩以及水泥石孔渗特性三个影响水泥环密封并导致流体窜流的主要方面出发,测试影响低密度水泥环封固能力的力学性能参数、体积变化参数及孔渗参数随时间变化的特征,以室内实验和理论研究为基础,根据该低密度水泥浆固井工况和井身结构,建立低密度水泥环力学模型、孔隙率-强度模型,评价水泥环在井筒内压作用下是否产生应力破坏、水泥石体积收缩对界面胶结质量的影响以及水泥石孔渗特性对其宏观性能的影响。通过室内实验测试结果和评价模型评价低密度水泥环封固能力,发现该低密度水泥环中部段在井内压力达到90MPa以上,底部水泥环在井内压力达到70MPa以上,水泥环开始出现拉伸破坏并产生裂纹,抗拉强度不能满足井下工况是该低密度水泥石力学性能最薄弱的环节;通过对水泥石体积变化连续90天测试,水泥石具有随温度升高体积收缩越明显、随后期水化反应速度减小体积趋于稳定的趋势,且90℃条件下体积收缩最大(3.2%),将在固井二界面形成微间隙;低密度水泥石在28天后渗透率和孔隙率变化幅度较小,渗透率和孔隙率相对常规密度水泥石小,且低密度水泥石孔隙率和强度具有可拟合的非线性关系,孔隙率强度模型评价结果认为低密度水泥石具有致密的孔渗特征。低密度水泥环封固能力评价的结果,指导了低密度水泥浆材料优化的方向;通过在该低密度水泥浆中引入增韧材料-无机矿物纤维,可提高水泥石抗拉强度并降低弹性模量,改善水泥石力学性能;通过在水泥浆中加入膨胀剂,可有效防止水泥石体积收缩,并具有微膨胀效果,对于消除二界面微间隙具有重要意义。低密度水泥石力学性能和体积稳定性的优化工作对油气井后期生产和开采具有积极的现实意义。