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【摘 要】纳米材料自身具有优异的理化特性，被誉为“21世纪最有前途的新型材料”?本文从现有纳米材料中筛选确定纳米SiO2为研究对象，探究水泥浆中纳米材料分散方式?分散行为及掺加量，对固井水泥综合性能的影响与作用机理?
【关键词】固井水泥;纳米复合结构;性能
1纳米材料特性
1.1表面与界面效应
表面与界面效应是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化?表现为直径减少，表面原子数量增多?超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧?如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化?利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂?贮气材料和低熔点材料?
1.2化学反应性质
纳米微粒粒径小，比表面积大，表面原子配位不足，比相同的大块材料具有更强的吸附性，纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质?溶质的性质以及溶液的性质有关?不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大的差别?
2纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响
2.1对水化和微观结构的影响
油井水泥水化包括预诱导期，休眠期，加速期和减速期四个阶段?水泥的水化过程，火山灰反应的程度可通过监测氢氧化钙的降低量来观测?通常使用的仪器为X射线衍射和扫描隧道显微镜?当少量的纳米颗粒良好分散在水泥中时能够使水泥石的微观结构更加致密，但如果纳米颗粒不能够进行良好的分散，则可能导致水泥石产生空隙或薄弱区?研究表明在水泥材料中加入纳米SiO2可以加快水化反应速率，在水化初期更快地形成氢氧化钙;水化速率取决于所加入的SiO2表面积，纳米SiO2作为成核中心加速水化，表面积越大水化反应放热越大，由此可推断，在放热峰值处会存在一个SiO2表面积最佳值?掺有纳米SiO2的水泥基材料凝结时间减少，水化休眠期和诱导期持续时间缩短，达到水化热峰值的时间和形成早期Ca（OH）2的时间都缩短?与普通硅酸盐水泥相比，加入SiO2后水化放热明显升高，通过SEM观察到了致密的微观结构，Ca（OH）2晶体数量也有所减少?
2.2对新拌浆特性的影响
为保持油井水泥的现场工作性能，掺加纳米SiO2的水泥基材料应增加需水量，王委等研究发现，在水泥净浆中加入纳米SiO2，开始时水泥净浆流动度随纳米SiO2掺加量的增加而增大，但当纳米SiO2掺加量超过0.75%后，水泥浆流动度随纳米SiO2掺加量的增加而下降;当纳米SiO2掺加量超过3.0%时，水泥净浆流动度甚至低于空白样本?由此可知，加入纳米SiO2后，水泥浆流动度减小，胶凝程度增加?为了避免对现场工作性能的影响，Berra等提出先用一定量的水配浆，延迟加入另一部分水，而不是一次将所需的水全部混入水泥中?研究还发现掺加纳米SiO2的水泥体系胶粘度和抗压强度都有所增加，掺加SiO2与TiO2的水泥浆，扭矩?塑性粘度与屈服应力均增加?
2.3对耐久性的影响
水泥基材料的耐久性通常是指其抵抗化学侵蚀?气候作用?磨损或任何其他破坏过程的能力，主要从水泥的抗腐蚀性?抗渗性?抗钢筋锈蚀和抗冻性这几个方面来考虑?通常情况下，水泥基材料的耐久性与其孔结构有关，掺加纳米颗粒能够极大地改善水泥的孔结构?
3纳米碳酸钙对水泥基材料性能的影响
3.1对水化和微观结构的影响
Kawashima等研究了纳米碳酸钙改性水泥浆24小时的水化热，向水泥材料中加入质量分数分别为0%～5%的纳米碳酸钙，水灰比為0.43，用超声混合的方式制备纳米碳酸钠改性水泥浆体?结果表明掺加了纳米碳酸钙的水泥浆体水化速度更快，用超声处理过的样品峰值更高，水化反应发生的更早?Sato和Diallo的研究表明加入纳米碳酸钙能够显著增加放热速率，缩短了C3S水化的诱导期?
3.2对新拌浆特性的影响
Camilletti等研究了含高效增强剂的纳米碳酸钙改性超高性能混凝土的流动性和凝结时间?纳米碳酸钙的掺加量分别为0%，2.5%和5%，代替部分体积的水泥?结果表明，混凝土的流动性随着纳米碳酸钙含量的增加而增加?初凝时间和终凝时间随纳米碳酸钙掺加量的增加而减少?凝结时间随纳米碳酸钙含量的增加而减少?Liu等人研究了纳米碳酸钙改性水泥浆料的流动性和凝结时间，水泥以0%，1%，2%和3%的重量被纳米碳酸钙代替，水灰比为0.45?结果表明，该水泥浆体的流动性随着纳米碳酸钙含量的增加而降低，当纳米碳酸钙的掺加量分别为1%，2%和3%时，纳米碳酸钙流动度分别降低了15.95%，20.24%和26.38%?通过加入纳米碳酸钙，初凝时间和终凝时间都有所缩短?凝结时间随着纳米CaCO3含量的增加而下降?
3.3对力学性能的影响
Kawashima等人研究了含有30%的粉煤灰及5%纳米碳酸钙的改性水泥浆养护1天，3天和7天的抗压强度?使用超声处理或混合搅拌得到纳米碳酸钙悬浮液，分别制备纳米碳酸钙改性水泥浆，水灰比均为0.43?结果表明，通过加入纳米碳酸钙，可以使水泥石抗压强度增加?养护3天和7天时，超声处理的样品比混合处理的样品抗压强度提升得更多?
4纳米氧化锌对水泥基材料性能的影响
4.1对水化和微观结构的影响
Nazari和Riahi研究了纳米氧化锌改性水泥浆70小时的水化热，纳米氧化锌的掺加量分别为1%，2%，3%，4%和5%，水灰比均为0.4，减水剂的加量相同?结果表明，纳米氧化锌的加入使峰值时间提前，同时放热速率值下降?这表明掺加纳米氧化锌可以提高水泥水化初期的水化速度?纳米氧化锌作为成核，可以加快水泥水化，同时增加了放热速率?Nazari和Riahi，Riahi和Nazari研究了掺加45%（重量）矿渣的纳米氧化锌改性水泥浆70小时的水化热，纳米氧化锌的掺量分别为1%，2%，3%和5%，水灰比均为0.4，混拌时使用水或饱和石灰水?该放热速率值表明，纳米氧化锌含量的减小阻碍到达峰值的时间，并提高了热释放速率值?用饱和石灰水制备的样品由与水制备的样品相比，有着较低的峰值时间和放热速率值?
4.2对新拌浆特性的影响
Nazari和Riahi和Riahi和Nazari研究了纳米氧化锌改性混凝土混合物的工作性能?纳米氧化锌的掺量分别为0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均为0.4?结果表明：纳米氧化锌的添加会降低水泥浆的工作性能?
4.3对力学性能的影响
Nazari和Riahi研究了纳米氧化锌改性混凝土的7天，28天和90天的抗压强度，劈裂拉伸强度和弯曲强度?纳米氧化锌的掺量为别为0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均为0.4?采用两种养护条件，水养护或饱和石灰水养护?结果表明，在水中养护的1%的纳米氧化锌混凝土试样，抗压强度，劈裂拉伸强度和弯曲强度，随掺量变化的顺序为>1.5%>0.5%>0%>2%?
5结束语
综上所述，分析了部分不同纳米材料对水泥基材料性能的影响，从而有利于进一步分析固井水泥纳米复合材料在石油开采行业的应用，从而进一步促进纳米材料在石油行业的发展，同时也为提升油井结构的安全性和稳定性提供帮助?
参考文献：
[1]蔺海兰，廖建和，廖双泉.丙烯酸酯系共聚物高吸油树脂的合成及性能研究[J].弹性体，2006，16（5）：34-39.
[2]唐欣，杨远光.自修复水泥———解决油气井泄露新技术[J].国外油田工程，2008，24（11）：43-46.
[3]张高奇，周美华，梁伯润.纳米材料的研究与发展趋势[J].化工新型材料，2002，30（1）：29-31.
【关键词】固井水泥;纳米复合结构;性能
1纳米材料特性
1.1表面与界面效应
表面与界面效应是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化?表现为直径减少，表面原子数量增多?超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧?如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化?利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂?贮气材料和低熔点材料?
1.2化学反应性质
纳米微粒粒径小，比表面积大，表面原子配位不足，比相同的大块材料具有更强的吸附性，纳米粒子的吸附性与被吸附物质的性质?溶质的性质以及溶液的性质有关?不同种类的纳米微粒吸附性质也有很大的差别?
2纳米二氧化硅对水泥基材料性能的影响
2.1对水化和微观结构的影响
油井水泥水化包括预诱导期，休眠期，加速期和减速期四个阶段?水泥的水化过程，火山灰反应的程度可通过监测氢氧化钙的降低量来观测?通常使用的仪器为X射线衍射和扫描隧道显微镜?当少量的纳米颗粒良好分散在水泥中时能够使水泥石的微观结构更加致密，但如果纳米颗粒不能够进行良好的分散，则可能导致水泥石产生空隙或薄弱区?研究表明在水泥材料中加入纳米SiO2可以加快水化反应速率，在水化初期更快地形成氢氧化钙;水化速率取决于所加入的SiO2表面积，纳米SiO2作为成核中心加速水化，表面积越大水化反应放热越大，由此可推断，在放热峰值处会存在一个SiO2表面积最佳值?掺有纳米SiO2的水泥基材料凝结时间减少，水化休眠期和诱导期持续时间缩短，达到水化热峰值的时间和形成早期Ca（OH）2的时间都缩短?与普通硅酸盐水泥相比，加入SiO2后水化放热明显升高，通过SEM观察到了致密的微观结构，Ca（OH）2晶体数量也有所减少?
2.2对新拌浆特性的影响
为保持油井水泥的现场工作性能，掺加纳米SiO2的水泥基材料应增加需水量，王委等研究发现，在水泥净浆中加入纳米SiO2，开始时水泥净浆流动度随纳米SiO2掺加量的增加而增大，但当纳米SiO2掺加量超过0.75%后，水泥浆流动度随纳米SiO2掺加量的增加而下降;当纳米SiO2掺加量超过3.0%时，水泥净浆流动度甚至低于空白样本?由此可知，加入纳米SiO2后，水泥浆流动度减小，胶凝程度增加?为了避免对现场工作性能的影响，Berra等提出先用一定量的水配浆，延迟加入另一部分水，而不是一次将所需的水全部混入水泥中?研究还发现掺加纳米SiO2的水泥体系胶粘度和抗压强度都有所增加，掺加SiO2与TiO2的水泥浆，扭矩?塑性粘度与屈服应力均增加?
2.3对耐久性的影响
水泥基材料的耐久性通常是指其抵抗化学侵蚀?气候作用?磨损或任何其他破坏过程的能力，主要从水泥的抗腐蚀性?抗渗性?抗钢筋锈蚀和抗冻性这几个方面来考虑?通常情况下，水泥基材料的耐久性与其孔结构有关，掺加纳米颗粒能够极大地改善水泥的孔结构?
3纳米碳酸钙对水泥基材料性能的影响
3.1对水化和微观结构的影响
Kawashima等研究了纳米碳酸钙改性水泥浆24小时的水化热，向水泥材料中加入质量分数分别为0%～5%的纳米碳酸钙，水灰比為0.43，用超声混合的方式制备纳米碳酸钠改性水泥浆体?结果表明掺加了纳米碳酸钙的水泥浆体水化速度更快，用超声处理过的样品峰值更高，水化反应发生的更早?Sato和Diallo的研究表明加入纳米碳酸钙能够显著增加放热速率，缩短了C3S水化的诱导期?
3.2对新拌浆特性的影响
Camilletti等研究了含高效增强剂的纳米碳酸钙改性超高性能混凝土的流动性和凝结时间?纳米碳酸钙的掺加量分别为0%，2.5%和5%，代替部分体积的水泥?结果表明，混凝土的流动性随着纳米碳酸钙含量的增加而增加?初凝时间和终凝时间随纳米碳酸钙掺加量的增加而减少?凝结时间随纳米碳酸钙含量的增加而减少?Liu等人研究了纳米碳酸钙改性水泥浆料的流动性和凝结时间，水泥以0%，1%，2%和3%的重量被纳米碳酸钙代替，水灰比为0.45?结果表明，该水泥浆体的流动性随着纳米碳酸钙含量的增加而降低，当纳米碳酸钙的掺加量分别为1%，2%和3%时，纳米碳酸钙流动度分别降低了15.95%，20.24%和26.38%?通过加入纳米碳酸钙，初凝时间和终凝时间都有所缩短?凝结时间随着纳米CaCO3含量的增加而下降?
3.3对力学性能的影响
Kawashima等人研究了含有30%的粉煤灰及5%纳米碳酸钙的改性水泥浆养护1天，3天和7天的抗压强度?使用超声处理或混合搅拌得到纳米碳酸钙悬浮液，分别制备纳米碳酸钙改性水泥浆，水灰比均为0.43?结果表明，通过加入纳米碳酸钙，可以使水泥石抗压强度增加?养护3天和7天时，超声处理的样品比混合处理的样品抗压强度提升得更多?
4纳米氧化锌对水泥基材料性能的影响
4.1对水化和微观结构的影响
Nazari和Riahi研究了纳米氧化锌改性水泥浆70小时的水化热，纳米氧化锌的掺加量分别为1%，2%，3%，4%和5%，水灰比均为0.4，减水剂的加量相同?结果表明，纳米氧化锌的加入使峰值时间提前，同时放热速率值下降?这表明掺加纳米氧化锌可以提高水泥水化初期的水化速度?纳米氧化锌作为成核，可以加快水泥水化，同时增加了放热速率?Nazari和Riahi，Riahi和Nazari研究了掺加45%（重量）矿渣的纳米氧化锌改性水泥浆70小时的水化热，纳米氧化锌的掺量分别为1%，2%，3%和5%，水灰比均为0.4，混拌时使用水或饱和石灰水?该放热速率值表明，纳米氧化锌含量的减小阻碍到达峰值的时间，并提高了热释放速率值?用饱和石灰水制备的样品由与水制备的样品相比，有着较低的峰值时间和放热速率值?
4.2对新拌浆特性的影响
Nazari和Riahi和Riahi和Nazari研究了纳米氧化锌改性混凝土混合物的工作性能?纳米氧化锌的掺量分别为0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均为0.4?结果表明：纳米氧化锌的添加会降低水泥浆的工作性能?
4.3对力学性能的影响
Nazari和Riahi研究了纳米氧化锌改性混凝土的7天，28天和90天的抗压强度，劈裂拉伸强度和弯曲强度?纳米氧化锌的掺量为别为0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水灰比均为0.4?采用两种养护条件，水养护或饱和石灰水养护?结果表明，在水中养护的1%的纳米氧化锌混凝土试样，抗压强度，劈裂拉伸强度和弯曲强度，随掺量变化的顺序为>1.5%>0.5%>0%>2%?
5结束语
综上所述，分析了部分不同纳米材料对水泥基材料性能的影响，从而有利于进一步分析固井水泥纳米复合材料在石油开采行业的应用，从而进一步促进纳米材料在石油行业的发展，同时也为提升油井结构的安全性和稳定性提供帮助?
参考文献：
[1]蔺海兰，廖建和，廖双泉.丙烯酸酯系共聚物高吸油树脂的合成及性能研究[J].弹性体，2006，16（5）：34-39.
[2]唐欣，杨远光.自修复水泥———解决油气井泄露新技术[J].国外油田工程，2008，24（11）：43-46.
[3]张高奇，周美华，梁伯润.纳米材料的研究与发展趋势[J].化工新型材料，2002，30（1）：29-31.