随着石油天然气的勘探开发逐渐向深井、超深井的方向不断发展,对固井工艺和固井质量也随之提出了更高的要求。在油气井固井工程中,水泥浆在套管和井壁间凝固形成水泥石,为套管提供支撑和保护,并和套管共同起到层间封隔的作用,这对固井后续工作的开展有十分重要的作用。但由于深井、超深井井下环境复杂,而这种复杂的环境会对普通固井水泥石造成一定的损伤,这就使得水泥石在后续的射孔、压裂、开采等作业中极易发生破碎、断裂的现象,从而造成层间封隔失效,为后续的开采工作埋下重大隐患,严重影响油井的使用寿命。为了提高套管与井壁之间水泥环的韧性和水泥石的力学性能,本文开发了一种新型的无机材料——CaSO4晶须,将其作为固井水泥石的增强材料。首先通过设计正交实验,确定了晶须合成的最优条件,即:C(CaO)=C(H2SO4)=0.4mol/L、反应时间为10h、反应温度为90℃,此时制备的CaS04晶须具有高长径比结构、长径比大小不一、杂乱无章的特点,通过表征晶须水泥石的SEM图分析了晶须在水泥石中的作用机理及不足之处,并根据作用机理确定了 CaS04晶须的改性方向。本文利用正硅酸乙酯(TEOS)对硫酸钙晶须进行表面改性,并通过FT-IR、XRD、SEM对改性硫酸钙晶须进行了结构表征,结果表明:FTIR红外谱图显示在1079 cm-1、976 cm-1、805 cm-1处出现了 SiO2的特征峰,表明改性晶须中有Si-O-Si的存在;SEM微观图显示在硫酸钙晶须的表面有明显的物质附着,而EDS元素分析表明在晶须表面附着的这层物质中有Si元素的存在;XRD谱图显示产物中附着在晶须表层的纳米Si02是无定形的。对上述改性的CaS04晶须进行其在水泥浆中的应用性能测试,结果显示,当改性晶须加量为5%时,水泥浆的流动度为23.5 cm,失水量为40 ml,析水量为0.8 ml,在90℃、120℃时的稠化曲线平稳,无‘鼓包’等异常现象,表明改性晶须水泥浆的综合性能良好;当改性晶须加量为5%时,养护24 h后,改性晶须水泥石的抗压、抗折强度分别为26 MPa、7.2 MPa,较空白水泥石分别提高了 52.9%、67.4%,而未改性晶须水泥石的抗压、抗折强度分别为22 MPa、6.3 MPa,较空白水泥石分别提高了 29.4%、46.5%;水泥石强度的测试和三轴力学实验结果表明改性晶须能更大幅度地提高水泥石的力学性能通过XRD、SEM对改性晶须在水泥石中的作用机理进行分析,XRD结果表明改性晶须影响了水泥的水化反应,SEM图像显示在改性晶须水泥石中,被拔出的晶须表面有较多的颗粒物质附着,而普通晶须水泥石中却没有这种现象,从而从多方面解释了改性晶须对水泥石的力学性能有更显著的增强效果。