由于油井水泥石作为典型的脆性材料,自身存在许多固有缺陷严重制约了固井水泥基材料适应深井、复杂井况以及自身性能进一步有效提高,难以满足油气井固井工程不断发展的要求。新型无机矿物纤维增强材料,因其在成分上与水泥基材料具有相同的极性,凭借其天然的相容性、优异的力学性能、低廉的成本以及环境友好性迅速已成为材料研究领域发展的前沿和热点。利用这些新型无机矿物纤维开发具有能够改善水泥环力学完整性、提高水泥环封隔能力的增韧水泥浆体系,对推动固井水泥材料的发展和进步,保障我国油气井长期安全作业具有十分重要的意义。本文基于上述原由,针对无机矿物纤维改性固井水泥石力学性能及增强机理的探索展开了相关的试验研究,主要工作及研究成果如下:1.碳酸钙晶须、水镁石纤维、玄武岩纤维均能显著提升水泥石抗压、抗折、劈裂拉强度及拉压比,但增加幅度由于纤维加量和纤维种类的不同有较大的区别;混杂纤维与纯水泥石相比,主要对抗压、劈裂抗拉强度有明显的提高,而抗折强度提高并不明显,从强度数据分析上来看,三元混杂增强效果不如单一和二元纤维混杂时理想,产生了一定负混杂效应;油井水泥石的弹性和塑性变形能力、阻裂能力、应力-应变关系等对于衡量水泥环性能具有更显著的作用,传统强度理论难以对水泥石性能的改变和影响全面的评价和分析。2.水泥石应力-应变曲线能够较好的对掺无机矿物纤维材料的油井水泥石受压过程进行描述,本文针对不同种类的无机矿物纤维增强水泥石应力-应变曲线本构方程提出了不同的数学表达式,并且均满足以下形式:由纤维水泥石本构方程可知,纤维刚度对于水泥石刚度具有显著的影响,参数a1越大说明刚度越大的无机矿物纤维对水泥石刚度的提升作用越显著;不同无机矿物纤维和配比下下降段参数bo具有显著的差别,其中水镁石纤维bo区间范围最大,说明对水泥石塑性变形增强作用最为显著;受压本构关系也适用于混杂纤维增强水泥石受力分析,可作为工程设计提供一定的参考依据。3.无机矿物纤维加量与水泥石峰值应力和弹性模量具有一定的数学拟合关系,但对水泥石峰值应变影响较小;二元无机矿物纤维混杂时,水泥石应力-应变曲线同时表现出了两种不同纤维的力学特征,表现出了显著的混杂效应;无机矿物纤维三元混杂时,应力-应变曲线特征较为复杂,使得混杂纤维产生了负混杂效应;通过水泥石压缩韧度指数和承载力系数能够较好的分析无机矿物纤维不同阶段韧性的改善情况,通过压缩韧度指数和承载系数证明了无机矿物纤维材料的加入能够显著提高水泥石的受压时的韧性。4.通过断裂韧性试验结果显示,双K准则、G函数、J函数能够较好的分析和评价无机矿物纤维改性油井水泥石断裂过程中限制裂纹发生和失稳的性能;并且得出在一定加量范围内,水镁石纤维和玄武岩纤维均能较好地提高失稳断裂韧度和起裂断裂韧度;单独掺加碳酸钙晶须时对水泥石断裂韧度的提升作用有限;通过两两混杂的方式能进一步提高水泥石的断裂韧度和断裂能量;三元无机矿物纤维混杂时,产生了一定的负混杂效应;从而综合实验结果本文建议需谨慎使用三元混杂无机矿物纤维。本文提出三种不同无机矿物纤维材料劈裂抗拉强度与失稳断裂韧度关系均满足一元二次方程KIc s = α+ βftenc + γftenc 2关系,劈裂抗拉强度在一定条件下可作为判断水泥石阻裂能力的参考指标之一。5.本文针对碳酸钙晶须增强水泥石,建立了碳酸钙晶须增强界面层物理模型并进行了实验验证和计算,说明碳酸钙晶须在与水泥混合成型过程中表面覆盖了一水膜层,形成了独特的碳酸钙晶须-水泥基体界面层结构,能够压缩界面层弱化区提高水泥石抗弯拉强度,同时还具有一定的刺激水泥水化的作用,从而使得水泥石强度得到显著提高;水镁石纤维在解理后能成细丝状均匀分布在水泥石中,能有效起到提高水泥石密实度和限制微裂纹发生和扩展的作用,但高加量下难分散、易团结,此时主要起到填充作用;玄武岩纤维具有较大的长径比和尺寸,与水泥基体的黏结作用较大,相当于分布于水泥石中的细筋,起到类似钢筋一样的连接和增强作用,能够减少应力引起的裂缝的数量及尺度并提高水泥石基体的弹性模量;利用玄武岩纤维桥接与拔出破坏机制,可以使水泥石在破坏之前存在大范围的缓慢稳定裂缝扩展,裂缝尖端出现微裂区或裂缝过渡区,以消耗断裂能量;两种及三种无机矿物纤维混杂时,混杂纤维能够在不同阶段对水泥石进行增强,三种无机矿物纤维材料相互配合使用时,由于不同纤维在尺寸、长径比、表面特性上具有较大的区别可以形成高低搭配对水泥石不同阶段和性质进行有效改善。6.通过纤维增强系数和混杂效应系数对混杂纤维水泥石断裂韧度和单轴压缩峰值强度进行定量分析,混杂无机矿物纤维材料对油井水泥石具有明显的混杂效应发生,即有正混杂效应也有负混杂效应;其中混杂后水泥石的单轴压缩强度基本上表现为正混杂效应,而断裂韧度产生了负混杂效应;并且,数据显示三元混杂时断裂韧性和强度较二元混杂是有显著下降,说明三元混杂时纤维间容易产生相互干扰;综合分析和考虑了混杂纤维各力学性能后,本文提出应主要从断裂能、峰值强度及水泥石韧性等指标作为评价纤维混杂效应的依据,提出混杂无机矿物纤维的最佳配比即SM5%+XW0.3%。