随着油气勘探开发的深入,目前的固井水泥浆技术不能完全满足高压天然气井、非常规油气井等复杂井固井密封完整性的需求。紧密堆积设计是提高水泥浆综合性能和水泥环密封完整性的重要手段。随着微纳米材料的兴起,如纳米二氧化硅、氧化石墨纳米片层等纳米材料具有很多优良的物理和化学特性,紧密堆积优化水泥浆技术迎来了更广阔的应用前景。本文依据紧密堆积理论探索适用于固井水泥改性的纳米材料,研制一种水泥浆/水泥石力学性能兼优的纳米水泥浆体系,并对其微观结构及微观力学性能进行分析。通过实验研究了紧密堆积设计对水泥浆体系性能影响效果。结果表明:通过紧密堆积设计,水泥石力学性能显著改善,同时紧密堆积设计对抑制水泥石收缩、控制水泥浆失水、提高水泥浆稳定性、流变性等方面具有较好的效果。设计了单掺碳纳米管和氧化石墨水泥浆体系,以及混掺氧化石墨和纳米二氧化硅的杂合纳米材料水泥浆体系。结果表明,纳米材料能不同程度促进水泥水化,优化水泥石孔结构,对水泥石具有较好的增强增韧效果。杂合纳米材料增强水泥石力学性能的效果,优于单掺氧化石墨和纳米二氧化硅水泥石的效果。采用SEM、XRD、MIP、纳米压痕技术等微观手段对纳米紧密堆积水泥浆体系的微观结构及微观力学性能进行了分析。微观结构分析表明:可以看出掺入纳米材料的水泥石微观形貌更加致密,纳米材料的特性可以促进水泥水化,从而生成更多的水化硅酸钙凝胶体,提高水泥石的宏观力学性能。微观力学性能分析表明:纳米材料在水泥浆中一方面能充当晶核模板,促进了水泥水化反应的进行,使得低密度水化硅酸钙(LD C-S-H)逐渐向具有更高力学性能的HD C-S-H和UHD C-S-H转化,另一方面纳米材料能填充水泥石孔隙,使得孔隙率减小,进一步提高水泥石力学性能。