油气开采中,固井质量的好坏直接影响油气井安全生产寿命和油气开采效益。而固井质量的好坏与水泥环的力学性能密切相关。水泥环是一种典型的脆性材料,在井下工况和井底高温高压环境的作用下,其力学完整性易遭到破坏,丧失层间封固的能力,导致环空窜流,严重时会造成巨大的经济损失,危及生命安全。因此,研究如何改善油井水泥石的韧性是提高油气井固井质量的关键。现有的研究表明沥青增韧水泥基材料是可行的。但是混凝土行业增韧用的乳化沥青软化点较低,如果直接用于固井工程中油井水泥石的增韧,存在两个问题:一是井底环境复杂,乳化沥青破乳过程难控制;二是在深井、超深井的高温高压作用下,沥青软化转变为流体后,可能丧失增韧功效。本论文采用软化点较高的磺化沥青和天然岩沥青作为油井水泥的改性增韧外掺料。首先研究了两类沥青的成分、结构、粒径、耐温性和耐酸碱性。并采用低温等离子体技术来改善岩沥青表面的亲水性,表征其改性效果,探索其改性机理。然后从材料复合的角度出发,在油井水泥浆体里分别掺入1～4%的磺化沥青和岩沥青颗粒。研究两类沥青对油井水泥浆体性能的影响。测试分析了原浆水泥石、磺化沥青-水泥基复合材料、岩沥青-水泥基复合材料的抗压强度和劈裂抗拉强度,以及水泥石的单轴压缩应力-应变曲线、三轴直接加载条件下的应力-应变曲线和三轴多周循环加载条件下的应力-应变曲线。采用X-射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮吸附法(BET)、压汞法(MIP)、热重分析方法(TG)和固体核磁共振波谱方法(NMR)等分析手段研究了沥青-油井水泥基复合材料的微观结构,考察其微观结构与力学性能的关系。采用计算分析和SEM微观观察的方法来探索沥青增韧油井水泥石的机理。研究结果表明,沥青具有较好的耐碱性,在较高浓度的H2S溶液中有轻微的腐蚀。低温等离子体改性后的岩沥青表面出现了极性C-OH键、C=O键及C-O键,降低了岩沥青表面润湿角,改善了岩沥青表面的亲水性。磺化沥青和岩沥青掺入都导致油井水泥浆体密度轻微下降。随着磺化沥青掺量增加,水泥浆体流动度先增大,后急剧下降。岩沥青掺入会轻微增大水泥浆体流动度。磺化沥青掺入会减少水泥浆体游离液,而岩沥青掺入会增加水泥浆体的游离液。磺化沥青的掺入有利于提高水泥浆体的流变性。岩沥青的掺入对水泥浆体的流变性不利。磺化沥青和岩沥青掺入都会降低水泥石的抗压强度,磺化沥青-水泥石的降低幅度更大。两类沥青都有提高抗拉强度的效果,当磺化沥青掺量为3%时,90℃养护条件下,其7天和28天抗拉强度分别增加了 45.5%和17.3%。岩沥青掺量为3%时,7天抗拉强度增加了 22.6%,28天抗拉强度增加了 21.0%。从试样的单轴和三轴应力-应变曲线结果来看,磺化沥青掺量为1%、2%和3%时,有利于提高油井水泥石的韧性。岩沥青掺量为2%和3%时,有利于提高油井水泥石的韧性。XRD测试分析表明,磺化沥青和岩沥青的掺入在一定程度上抑制了油井水泥的水化,但并不影响油井水泥水化的最终产物类别。当养护温度为90℃时,水化产物主要以CS2H3的形式存在,这种水化产物能够在水泥石中构成良好的网络结构,有利于水泥石强度的发展。当养护温度为120℃时,少量CS2H3将不再稳定,而转变成C2SH,这种产物呈板块状,会降低水泥石的强度。SEM和TG分析表明,3%磺化沥青的掺入减小了同龄期水泥石中层状氢氧化钙水化产物的数量,这与磺化沥青引起的水泥浆体的缓凝有关。岩沥青-水泥基复合材料的SEM表明,未改性的岩沥青与水泥石的界面结合较差。而改性岩沥青与水泥石的结合界面较致密,界面处有C-S-H凝胶附着物。孔结构分析表明,小于4%掺量的磺化沥青对水泥石中有害孔数量影响不大,但当磺化沥青掺量为4%时,增加了有害孔数目。岩沥青-水泥基复合材料的孔结构测试结果表明,岩沥青掺入对有害孔数量无不利影响。TG和水化热测试分析结果表明,两类沥青都延缓了水泥水化,但磺化沥青引起水泥浆的缓凝效果更明显。IR分析结果表明,沥青掺入有阻碍形成硅氧四面体和O-Si-O键的趋势。NMR分析结果表明,岩沥青和磺化沥青的掺入都降低了 C-S-H凝胶中硅氧四面体的聚合度,减小了 C-S-H的平均链长,使得沥青-水泥石抗压强度降低。磺化沥青引起的对硅氧四面体的聚合度和C-S-H链长的减小更大一些。采用灰色关联分析方法计算了沥青-油井水泥基复合材料的孔结构与韧性的相关性,其相关性大小顺序为:平均孔径>累积孔体积>孔径分布。孔径分布范围对水泥石韧性的相关性大小顺序为:(<20nm)>(>50nm)>(20-50nm)。试验结果分析表明,3%掺量的磺化沥青和改性岩沥青,会降低水泥石的平均孔径和累积孔体积分布,也会改变孔径分布,降低有害孔数量,这就是3%磺化沥青-水泥基复合材料以及3%岩沥青-水泥基复合材料韧性得以提高的原因之一。论文还提出两种沥青增韧油井水泥石的机制:①界面增强机制,微观测试结果结合沥青-水泥石界面模型分析,在沥青-水泥石界面会形成物理吸附层和化学键结合层两个亚层,使得沥青和水泥石形成强的界面结合,有效阻止裂纹扩展,从而增韧水泥石;②结合SEM微观形貌观察,提出沥青颗粒使得裂纹产生偏转、弯曲和桥联,从而增韧油井水泥石。