节能增效是我国石油工业生产与开发中一直倍受关注的问题,本文即是以实现油气井固井低成本节能材料的研制与开发为主要目标而提出的。以面向利用工业废料矿渣和粉煤灰为基本材料开发无水泥熟料新型胶结材料为中心内容,力求通过对体系开展系统的实验及理论研究,找寻和开发出能够满足常规固井作业要求的胶结封固新材料的可行途径及体系设计方法。论文研究成果的完成,不仅能直接降低固井水泥材料成本、提高油气田开发效益,而且能够进一步扩大我国工业废料在生产中的应用,对节约水泥生产资源和能源,保护环境等方面均具有十分重要的意义。本文的研究内容和成果如下:首先,论述混合胶凝体系采用矿渣和粉煤灰这两种工业废渣作为基本掺合材料混合体系基材的形成、作用及其物理化学性能。通过对掺和材料体系的特性分析提出有效地利用该胶凝体系不仅有利于环境保护而且经过多元组分的有机配比能够满足常规固井作业的要求。其次,本文以颗粒密集堆积理论为基础,通过对比不同细度的粉煤灰、矿渣这两种矿物掺合料以不同比例掺配后形成的粉体颗粒级配及胶凝试件的强度,分析了在胶凝材料颗粒级配逐渐趋向于紧密堆积时对水泥胶砂试件强度的影响。再次,研究分析了矿渣-粉煤灰混合胶凝体系在合适的碱性激发剂作用下协同发挥水硬性的作用特征,为开展矿渣-粉煤灰混合胶凝材料的试制研究工作提供了可行的途径。利用X-射线衍射仪和扫描电子显微镜等设备对该混合胶凝体系在常温常压条件下的水化产物进行了较详细地分析和研究,揭示了矿渣粉煤灰材料的水化作用特点及强度特征,并通过对矿渣与粉煤灰两种基质材料在不同物质组分配比、不同激活剂及外加剂的成分及加量、不同水灰比条件下所组成的多元组分体系的流动性、流变性、凝结特性、强度等主要工程性能的变化进行了测试和分析,提出了矿渣、粉煤灰、碱激活剂及其它外加剂等的有关颗粒级配、组分加量与水灰比等因素对混合胶凝体系工程性能的影响规律。最后,根据油田现场中浅井固井作业的实际要求,提出了密度在1.78~1.80g/cm3,流动度在19~22cm,凝结时间为初凝在1h30min~3h30min、终凝在1h以内的混合胶凝体系结构,为探索节能、环保、低成本固井液体系提供技术开发的理论及实验基础与可行性途径。本文创新性的将粉煤灰污染物质有效的和高炉矿渣有机的结合应用于石油工业的固井工艺。通过对矿渣、粉煤灰及相关掺料多元组分的化学特性的深入研究,分析胶凝体系的不同配比对固井水泥浆体系性能和强度影响规律,提出满足常规固井作业要求的胶结封固新型水泥浆体系的研究途径和设计方法。本文的研究不仅降低了石油固井的作业成本,而且弥补了石油固井作业充分利用废渣提高固井质量研究方面的空白,丰富和发展油井水泥浆体系的材料学理论,同时对进一步扩大和深化工业废料在新的领域应用,实现矿渣资源的有效利用和粉煤灰污染物的有效处理,在节约能量利用和环境保护方面均具有巨大的意义。