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固井作业是一次性工程，其成本占整个钻井工程的20％～30％。近年来，石油开采逐渐向深海、深井、复杂地层及超深井的方向发展，井下环境和钻遇地层情况更加复杂，固井作业对各种油井水泥外加剂的要求也越来越高，其成本在逐年增加。节能增效一直是油田开发过程中备受关注的问题，利用一些具有特殊功能的废弃资源部分替代油井水泥或外加剂来降低固井材料成本的研究意义重大。 高镁废渣(HMS)是在冶炼特殊金属过程中排放的一种廉价固体废弃物，其化学成分中MgO含量达到26.9％，本文尝试研究了用高镁废渣部分替代油井水泥或膨胀剂应用于固井作业的可行性。研究成果如能达到预期，不仅能大幅降低固井材料成本、提高固井质量，而且能够解决油井水泥浆体固有的体积收缩难题，同时实现废弃资源的再利用，缓解由高镁废渣的堆存和油井水泥的生产引起的环境污染问题。 首先，利用等温量热测试(ICT)研究了高镁废渣在50℃下的水化性能，测试了80℃下高镁废渣浆体的性能，并结合压汞实验(MIP)和X射线衍射(XRD)分析结果讨论了其孔径结构特征和水化产物，同时研究了不同激发剂对其性能的影响。结果表明:高镁废渣在80℃下具有一定的水化活性和胶凝特性，其硬化浆体的抗压强度随养护龄期的延长而增加，28d的抗压强度接近为2MPa，300d时为10MPa;养护龄期为3d、28d和150d的硬化浆体的孔隙率分别为38.2％、37.4％和27％。G级高抗硫油井水泥(YJ)在80℃下对HMS有一定激发作用。 其次，研究了不同掺量的高镁废渣对油井水泥浆体性能的影响，并结合ICT、XRD和MIP等微观测试结果研究了掺渣水泥石的水化机理。确定高镁废渣的最佳掺量为40％，针对该掺量下水泥石早期(1d)强度低和韧性不高的特点，优选出了增强剂(WG)、增韧剂(HX)及其最佳掺量，最后优选了降失水剂(F17B)及其最佳掺量，形成了固井用高镁废渣微膨胀水泥浆体系配方HMS-4(60％YJ+40％HMS+3％WG+0.1％HX+1.5％F17B)，在80℃下测试了HMS-4水泥浆体系的工程性能，结果表明:该体系水泥石1d抗压强度为18.2MPa，90d抗压强度超过净浆水泥石，其1d、28d和90d的线膨胀率分别为0.0062％、0.045％和0.061％;与油井水泥净浆水泥石相比，HMS-4微膨胀水泥石1d和90d抗冲击功分别提高48.9％和60.2％，水泥石连续12h渗透率为0，HMS-4水泥浆体系自由水为0.48％，失水量为48ml，稠化时间为115min。 最后，为了最大程度地降低固井成本，增大高镁废渣掺量至60％和70％，重新调整了WG掺量，形成了高镁废渣基微膨胀水泥浆体系HMS-6(60％YJ+40％HMS+3％WG+0.1％HX+1.5％F17B)和HMS-7(30％YJ+70％HMS+5％WG+0.1％HX+1.5％F17B)，在80℃下测试了两种水泥浆体系的各项工程性能。结果表明:HMS-6和HMS-7微膨胀水泥石的1d抗压强度分别为17.7MPa和15.8MPa，韧性得到显著改善，1d、28d和90d的线膨胀率分别为0.02％、0.035％和0.04％以及0.029％、0.043％和0.05％，水泥石渗透率均为0，自由水分别为0.56％和0.6％，失水量分别为54ml和74ml，稠化时间分别为120min和125min，均达到固井施工基本技术要求。