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油气资源高效开发是国家能源安全和国民经济发展的重要保障，固井技术是能源开发的关键工程技术。油气井服役期的开裂会导致井下地层流体(气体，石油和水)的窜流，造成层间封隔失效。目前研究仅通过传统宏观材料增韧以限制裂缝发展。本文通过氧化石墨烯(GO)改性，提高了水泥的机械性能，建立了纳米尺度裂缝防御机制。针对已有裂缝，提出了水泥基体活化修复策略；并引入离子响应凝胶，以实现材料自修复性。
利用三乙醇胺(TEA)改性GO，改变了含氧官能团与Ca2+的络合方式，确保拌浆过程中GO的分散性。分散性良好的三乙醇胺改性石墨烯(TEA-GO)呈现出良好的成核效应和裂缝偏转效应，且促进了水合硅酸钙(C-S-H)结构致密化，最终实现宏观机械性能的增加。
基于溶胶-凝胶法制备了化学结合的GO和纳米二氧化硅(NS)，沉积于GO表面的NS能有效防止纳米复合材料(GO-NS)在孔隙溶液中的团聚且赋予其火山灰效应。在水泥水化过程中，GO-NS提供了更多的成核位点，提高了水化程度。此外，GO-NS降低了氢氧化钙(CH)的取向指数，增加了的C-S-H聚合度，提高了C-S-H的密实程度。NS的引入改善了纳米复合材料与水泥基体的界面强度，当承受外部载荷时，GO-NS增强的水泥复合材料可实现载荷的有效传递
利用TEA与Ca2+的络合对水泥基体进行活化，提高了传统硅酸钠自修复体系的修复效率。TEA加速了CH向C-S-H的转化，生成了大量密实网状C-S-H，提高了修复区的结构完整性，改善了微观机械性能。
在水化后的水泥基体中，引入了TEA-GO，利用合成过程中副产物的活化作用及改性GO的增强效应实现了废旧水泥的循环利用，回收后的水泥体系以高硬度C-S-H为主。TEA-GO的皱褶形貌易于形成机械互锁，同时TEA-GO与C-S-H具有良好的界面粘合性，可有效耗散载荷传递过程中的能量。该部分提出的水泥活化技术为水泥环中已有裂缝的修复提供了新思路。
最后，设计了一种钙离子响应水凝胶(CaAlg)，可有效避免超吸水树脂(SAP)对压缩强度的负面影响，同时实现水泥裂缝的高效自愈合。Ca2+促进Alg交联网络生成，这种响应行为可以避免在水泥混合过程中形成大孔结构，当开裂发生且水进入时，凝胶膨胀从而堵塞裂缝。除了自密封效应外，CaAlg提供的Ca2+加速了自修复矿物的生成，改善了开裂区域的结构完整性，同时所形成的有机-无机杂化自修复结构可有效抵御二次开裂，提高了固井水泥环结构稳定性，延长服役期。
利用三乙醇胺(TEA)改性GO，改变了含氧官能团与Ca2+的络合方式，确保拌浆过程中GO的分散性。分散性良好的三乙醇胺改性石墨烯(TEA-GO)呈现出良好的成核效应和裂缝偏转效应，且促进了水合硅酸钙(C-S-H)结构致密化，最终实现宏观机械性能的增加。
基于溶胶-凝胶法制备了化学结合的GO和纳米二氧化硅(NS)，沉积于GO表面的NS能有效防止纳米复合材料(GO-NS)在孔隙溶液中的团聚且赋予其火山灰效应。在水泥水化过程中，GO-NS提供了更多的成核位点，提高了水化程度。此外，GO-NS降低了氢氧化钙(CH)的取向指数，增加了的C-S-H聚合度，提高了C-S-H的密实程度。NS的引入改善了纳米复合材料与水泥基体的界面强度，当承受外部载荷时，GO-NS增强的水泥复合材料可实现载荷的有效传递
利用TEA与Ca2+的络合对水泥基体进行活化，提高了传统硅酸钠自修复体系的修复效率。TEA加速了CH向C-S-H的转化，生成了大量密实网状C-S-H，提高了修复区的结构完整性，改善了微观机械性能。
在水化后的水泥基体中，引入了TEA-GO，利用合成过程中副产物的活化作用及改性GO的增强效应实现了废旧水泥的循环利用，回收后的水泥体系以高硬度C-S-H为主。TEA-GO的皱褶形貌易于形成机械互锁，同时TEA-GO与C-S-H具有良好的界面粘合性，可有效耗散载荷传递过程中的能量。该部分提出的水泥活化技术为水泥环中已有裂缝的修复提供了新思路。
最后，设计了一种钙离子响应水凝胶(CaAlg)，可有效避免超吸水树脂(SAP)对压缩强度的负面影响，同时实现水泥裂缝的高效自愈合。Ca2+促进Alg交联网络生成，这种响应行为可以避免在水泥混合过程中形成大孔结构，当开裂发生且水进入时，凝胶膨胀从而堵塞裂缝。除了自密封效应外，CaAlg提供的Ca2+加速了自修复矿物的生成，改善了开裂区域的结构完整性，同时所形成的有机-无机杂化自修复结构可有效抵御二次开裂，提高了固井水泥环结构稳定性，延长服役期。