在深层天然气井固井中,存在井口环空带压、二界面胶结质量差、层间气窜、高含CO2酸性气体腐蚀等技术难点,这些固井问题,严重影响气井的产量,降低了气井的采收率,对气田开发后续作业带来影响。当这些问题不突出时,会增加投产作业的成本;严重时会引发井喷,有时会导致整口井甚至整个井组报废。为了解决这些难题,本文从水泥环密封失效机理研究出发,得出水泥环密封失效主要表现在水泥环界面和水泥环自身性能的破坏两个方面,且只能通过水泥浆材料设计来优化水泥浆和改善水泥环力学性能。具体的方法包括:优化油井水泥浆性能参数、防止油井水泥水化体积收缩、增强水泥石抗腐蚀的能力和改善水泥石的力学形变特性。另外从水泥石微观结构分析得出:胶乳和纤维材料可以有效的改善水泥石的脆性,降低弹性模量,使水泥石具有一定的韧性。基于水泥环密封失效机理和水泥石微观结构分析,研制出了适合深层天然气井固井使用的三种水泥浆体系,即:胶乳水泥浆体系、膨胀纤维水泥浆体系和防腐防窜水泥浆体系。该三种水泥浆体系均具有适应温度范围广、浆体稳定性好、失水量小、强度发展快及稠化时间可调的优良性能。另外,胶乳水泥浆体系具有独特的成膜特性,增大了油、气、水侵的阻力,增强了界面胶结能力,使水泥石具有一定的弹塑性。膨胀增韧水泥浆体系改善了环空充满程度,促进了水泥石抗压强度发展,自身具有优越的机械性能,二界面胶结质量较好,为后期增产措施提供了良好的水泥环基础。防腐防窜水泥浆体系具有优良的防CO2腐蚀能力。针对不同地区的具体情况,三种水泥浆体系在龙深2平1井、华北牛东区块2 口井和松辽盆地高含CO2天然气井得到成功应用,有效提高了固井质量,效果显著。