水泥环设计为防止微环的足够粘结，利用所需的机械性能以确保井的开采期限内完整层位封隔。在钻探油井之前进行工程分析和实验室测试至关重要，成功的初次注水泥作业提供完整的水泥充填。水泥环在水泥水化过程中可阻止流体流动。
在井的开采期限承受预期压力，降低井的总成本，减少获得储量的时间。现在油气行业支出比以往任何时候都更需要提高投资回报。石油和天然气生产商正在寻求具有更高供油速度的大型油藏。许多这类新油藏位于具有独特的技术及作业挑战性的区域。例如超深水区、高温高压区、最大位移区及棕地再开发等等。发现与开采石油天然气藏的成本增加也影响着公司的价值。
初次注水泥影响油井经济性
油井固井对油井的经济性有重大的影响。成功的初次注水泥作业可在井的整个开采期限保持层位封隔，这不仅可以降低油井的建设成本（资本支出）和生产成本（OPEX），还可以减少开采储层所需的时间，从而获取更高的收益率（ROI）。
然而，失效水泥环设计可以导致层位内流体流动的产量下降，或是因安全问题导致关井。在许多情况下，维修失效水泥环比较困难，这可能需要高价的修井项目与后续的重新完井。在极端的情况下，失效水泥环还可以因提前废井导致油产量受损。成功实现初次注水泥作业是比较困难的，同时为井的开采期限实现完整的层位封隔更加困难。在很多情况下，初次注水泥作业的设计完全取决于支持井建设和井完成活动的需求。然而，设计高效的水泥环在井的整个开采期限过程中对井中的预期压力进行整体性研究。在过去的15 年里，新工具和新技术一直被开发，使当今的工程师初次注水泥创新设计满足这些技术挑战，帮助油井实现它们的财务目标。初次注水泥新工具的实例是基于计算流体动力学（CFD）动态温度模型、套管集中模型、流体迁移模型和3d 液压模拟器。
这些工具都是针对在环空中实现高阶水泥填充，防止水泥填充或流体流动通过水泥凝固过程中水泥泥浆而造成初次注水泥留下串槽。水泥机械完整性（CMI）模型可使工程师查看与研究影响水泥环设计的井筒压力温度及储层属性的变化情况，分析水泥环设计是否能够成功地经受这些变化。工程师使用这些模型来确定水泥环设计维持井的开采期限过程中层位封隔所需的机械性能，这包括废井在内。
水泥设计应该保持区域隔离期间的活动，包括放弃。当使用CMI 模型时，工程师应该获得尽可能多的油井状况数据。这不仅涉及钻井工程师和完井工程师的见解，还包括生产数据与储层及地层评价工程师的见解。所有相关人员的参与能够使工程师形成对井筒及储层压力在井的开采期限内，预期变化的一个整体观点。初期的CMI 模型使用井注水泥数据来确定注水泥设计或是通过或是因脱粘、拉伸与水泥环破损而失效，这些模型的处理时间通常比较长。注水泥完整性的最新研发和现场应用为水泥环机械性失效与阻止层位封隔损失的行为提供了一个更好的解释。这些研究产生了新的模型技术，不仅提高了准确性，减少了处理时间，而且还使模拟报告更易于分析。
为了突出一个良好CMI 模型的要点，必须考虑以下示例：使用30MPa（4,350psi） 抗压强度值和3MPa（435psi） 拉伸强度值来设计生产套管水泥环。水泥环的未受损范围介于-3~30MPa （-435~4,350psi）之间。完井计划要求：生产套管压力测试为10MPa（1,450psi），钻井泥浆随较轻密度完井液改变，从而将井筒压力降低至5MPa（725psi）。为了简单起见， 假定1MPa（145psi） 井筒压力的变化相当于1MPa 注水泥压力的变化。增加摩擦角减少水泥环磨损的风险。在这个例子中，被认为是应力变化路径，即在压力降至5MPa （725psi） 之前， 首先增加，接着下降10MPa（1,450psi）。如果压力的初始状态为0MPa （0psi）情况下，压力测试不会破损水泥环。然而，转向较轻完井液将破损拉伸状态的水泥环，因为最终应力为5 MPa（725psi），小于TS 值。相反， 如果初始应力状态是10MPa（1,450psi）， 完井设计将不会破坏水泥环，因为压力仍将保持在-3~30MPa（-425psi~4,250psi）之间。最后， 如果初始应力是25MPa（3635psi），完井规划将破坏水泥环，因为最终压力是35MPa（5,007psi），这高于CS 值。该例子表明，工程师在设计环空水泥环时必须考虑所有井活动的原因，并了解到调整水泥环初始压力的重要性。错误的初始压力可导致水泥环设计出现故障。
高效水泥环设计要点
增加拉伸强度可以降低破坏水泥环的风险。一个好的CMI 模型需要满足五个条件：水泥凝结之后初始压力的情况时第一关键点；第二关键点是评价水泥在哪里处于安全工作范围以及范围的相关性，这要求在井的开采期限内具备定量模拟水泥环所有载荷的能力；第三个关键点是能够模拟所有材料的刚度及破坏性能，例如精准确定破坏准则限制范围；第四个关键点是工程师易于进行敏感度分析，帮助他们确定破坏水泥环设计的井活动，确定完整层位封隔的最佳水泥特性需求；第五个关键点是输出记录的特征。
一些CMI 模型可以为水泥环设计确定安全的操作范围，指出设计的水泥环在安全工作状态中安全因素是什么。此外，还可以可视化整个水泥环和含水层，以了解地质障碍位于什么位置。因为没有两个井是完全一样的，最重要的是设计初次注水泥泥浆，以符合每口井的特定要求。研究出了新的水泥机械改性剂，可以减少水泥泥浆设计和实验室测试时间，降低现场操作的复杂性，在某些情况下，具有故障自愈能力。当今，工程师可以通过界面获取各种不同水泥环设计的机械性能，用于初始模拟。