随着复杂地层钻井数量的不断增加,非常规密度水泥浆的使用越来越普遍,其性能对保证固井质量至关重要。非常规密度水泥浆需要使用多类矿物材料进行加重或减轻,是多密度多化学组分的混合材水泥。本文针对混合材水泥的特点,从材料科学研究的角度出发,抓住矿物材料、堆积密实度和外加剂这三个影响水泥性能的主要因素,系统研究了典型矿物材料对固井水泥性能的影响规律及作用机理；结合紧密堆积模型研究和抗高温耐盐外加剂研发,为科学设计混合材水泥体系奠定了基础。本文对紧密堆积模型的计算方法、使用特点及其适用范围进行了讨论,选择了适用于固井工程的紧密堆积模型。由于混合材水泥与高性能混凝土的使用环境、性能要求与构成组分有本质区别,因此,适用于固井工程的紧密堆积不同于高性能混凝土的紧密堆积,应该充分考虑矿物材料和外加剂的影响,重点在于提高体系单位体积的固相含量以改善混合材水泥的力学性能。本文全面系统研究了石英砂、加重剂、减轻剂等典型矿物材料的理化性能对混合材水泥的工程性能及微观结构的影响,得到了典型矿物材料的颗粒级配、粒度分布、组分加量、外加剂与水灰比等因素对混合材水泥工程性能的影响规律；探讨了典型矿物材料对混合材水泥的微观作用机制。本文从水泥石的孔结构出发,进行了纳米二氧化硅改善水泥性能研究。采用电镜扫描及能谱分析等多种现代分析测试手段,从微观角度分析了纳米二氧化硅对水泥浆的作用机理,结果表明纳米二氧化硅的界面改善效应和物理填充密实效应是提高水泥石力学性能的主要原因。在实验基础上,制定了石油天然气行业标准—油井水泥加重剂标准。本文针对混合材水泥在深井高温固井中的使用问题,以2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸为主要单体,研究了三元抗高温耐盐油井水泥降失水剂和缓凝剂；实验采用红外光谱、差示扫描量热法和热重分析研究了共聚物的分子结构和热稳定性。水泥浆性能测试表明降失水剂和缓凝剂的抗高温耐盐性能良好,适用于深井高温固井。通过研究典型矿物材料对固井水泥性能的影响,为科学设计和使用混合材水泥体系奠定了基础。研究结果在高温高压深井固井和低压易漏井固井中获得了现场应用,应用效果良好。论文的研究结果为制定SY/T5504.7—2010《油井水泥外加剂评价方法第7部分：加重剂》和修订相关标准奠定了研究基础；丰富了固井水泥浆体系的材料学理论。