煤层气是一种优质高效的清洁能源和化工原料,开采和利用煤层气不仅保证了煤炭资源高效开采,提高煤炭资源利用率,也有利于清洁能源供应、减少温室气体排放和优化能源结构。在煤层气地面井抽采过程中,地面井会受到采动影响而导致地面井失效。目前常用的解决方法为在固井水泥中外加添加剂增强其性能,从而提高固井水泥环的性能来提高地面抽采井的寿命。本文围绕MWCNTs/nano-MgO复合纳米材料添加剂增强地面井固井水泥性能这一主题,针对MWCNTs对地面井固井水泥性能的影响及强化机制、MWCNTs/nano-MgO复合纳米材料添加剂对地面井固井水泥的力学强度-体积稳定性影响、MWCNTs/nano-MgO协同增强地面井固井水泥的微观结构表征及协同强化机制等关键科学问题开展了深入的研究,旨在揭示MWCNTs/nano-MgO协同强化固井水泥的机制,为其在煤层气地面井抽采作业现场应用提供理论支持。主要研究结论如下: (1)揭示了MWCNTs增强固井水泥的机制。添加适量的MWCNTs能够增强固井水泥的力学性能,降低水泥浆体内部的孔隙率,优化其孔径分布,促使有害孔隙和多害孔隙向无害孔隙转化。MWCNTs强化固井水泥的机制主要包括物理增强机制和化学机制。物理增强机制主要包括桥接效应、填充效应和裂纹路径偏转,化学机制主要包括界面化学键合和水化促进作用。 (2)探究了MWCNTs/nano-MgO协同强化作用对固井水泥力学强度-体积稳定性的影响。相较于单独添加MWCNTs,MWCNTs/nano-MgO复合纳米材料添加剂进一步增强了固井水泥的宏观性能。添加了0.05 wt%MWCNTs和1.5 wt%nano-MgO的水泥试样的力学性能强于空白对照组和单独添加MWCNTs的水泥试样。并且在增强水泥力学性能的同时,MWCNTs/nano-MgO复合纳米材料添加剂的加入还较好地改善了水泥的自收缩现象。 (3)表征了MWCNTs/nano-MgO协同强化固井水泥的微观结构。MWCNTs和nano-MgO的协同作用优化了水泥水化反应产物的分布。新加入的nano-MgO参与了水泥浆体内部的水化反应生成了Mg(OH)₂。Mg(OH)₂所具有的微膨胀性有效地弥补了水泥的自收缩现象。同时,MWCNTs/nano-MgO的协同强化作用进一步改善了水泥浆体内部的孔隙结构,降低了水泥浆体内部孔隙的连通性,改善了孔径分布均匀性,增强了固井水泥的抗渗性能。 (4)揭示了MWCNTs/nano-MgO协同强化固井水泥的机制。MWCNTs/nano-MgO协同强化固井水泥的机制通过多维度作用实现。物理增强方面,MWCNTs凭借高长径比在水泥基体中构建三维网络结构,通过桥联效应抑制微裂缝扩展,提升材料韧性和抗拉强度;nano-MgO则通过微孔填充效应降低孔隙率,其水化生成的Mg(OH)₂微膨胀进一步致密化基体,二者协同形成“刚-韧复合”结构。化学增强机制表现为三重作用:其一,羧基化MWCNTs通过界面键合重构水化硅酸钙凝胶结构,强化基体结合;其二,nano-MgO加速水化反应提升早期强度,而MWCNTs通过定向成核调控水化产物形貌,二者在时间维度互补;其三,nano-MgO的表面正电荷与MWCNTs的负电荷通过静电匹配形成稳定异质界面,促进Ca-Mg-Si复合相生成并强化界面过渡区。 研究成果为MWCNTs/nano-MgO协同强化固井水泥在地面井固井作业中的应用提供了理论基础。