固井水泥石是一种高脆、低韧、多孔和高碱性的材料,易受到井下应力和酸性流体腐蚀而失去其支撑井壁保护套管的作用,因此,通过在水泥中掺入改性材料纳米二氧化硅来提高水泥石的抗破坏能力。本文研究了纳米二氧化硅对水泥浆性能的影响和作用机理,为其在实际生产中应用提供更多的理论依据。本文首先研究了纳米二氧化硅对水泥浆流变性、稳定性、稠化时间和防气窜性能的影响。结果表明:纳米二氧化硅改善了水泥浆的稳定性和防气窜能力,使水泥浆的稠化时间降低,初始稠度增大,对流变性有一定的影响,但是在合理的掺量范围内,能够达到施工的需要纳米二氧化硅粒径越小,影响效果越明显。通过测量水泥石的抗压强度、抗拉强度和力学参数来反映纳米二氧化硅对水泥石力学性能的影响,结果为纳米二氧化硅可以提高水泥石的力学性能,提高水泥石的韧性;通过核磁共振测量结果可得,纳米二氧化硅使水泥石孔隙度降低,改善孔隙结构。纳米二氧化硅粒径越小对水泥石力学性能和孔结构的改善效果越明显。通过高温高压水泥环完整性测试仪来验证纳米二氧化硅对水泥石性能的改善效果,结果表明纳米二氧化硅可以改善水泥石的完整性。通过测量水泥石被二氧化碳腐蚀前后的强度,腐蚀深度来反映腐蚀情况的变化,结果表明纳米二氧化硅可以改善水泥石的抗腐蚀能力;通过XRD和SEM研究了腐蚀后,水泥石的物相和微观形貌变化。为了接近井下水泥环的实际工况,本文将应力与二氧化碳腐蚀耦合作用于水泥石,在加载不同程度的应力时,水泥石被腐蚀的程度不同,掺入纳米二氧化硅后,对水泥石的抗应力腐蚀改善效果明显。通过水化过程中的电导率的变化来反映水化过程,纳米二氧化硅可以加速水化,缩短水化时间;通过XRD、TG和SEM研究纳米二氧化硅对水化产物和水化后产物的形貌进行分析,纳米二氧化硅可以参与水泥的水化过程,与水泥的水化产物发生“火山灰反应”,降低水泥石的碱性,纳米二氧化硅粒径较小,所以在水化中充当成核剂的作用,加速水泥水化产物成核结晶,水化产物尺寸降低,使水泥石更加致密。