水泥浆（石）微观结构与宏观性能关系是研究水泥改性、探索新型水泥浆体系及其油气完井固井有效应用的重要因素。本文基于碳纳米管、纳米MgO、纳米ZrO₂三种纳米材料基本特性,研究纳米改性水泥浆性能与作用机理。主要研究碳纳米管对水泥浆（石）性能影响,初步探索纳米MgO、纳米ZrO₂对水泥浆性能的影响规律。从水泥浆（石）的宏观性能与微观结构两个角度进行纳米改性水泥浆性能研究,取得如下成果:1.碳纳米管加量控制在0.5%以下,能够满足水泥浆固井施工要求。加量约0.05%的碳纳米管可提高水泥石基本力学性能,降低弹性模量19.1%,提高水泥石韧性,保证水泥环的完整性。2.纳米MgO改性水泥浆流变、力学性能实验结果表明,纳米MgO加量为0.025%⁰.5%的水泥浆流动性良好,纳米MgO早期抗压强度最优加量为0.05%。3.在一定加量范围内纳米ZrO₂对水泥石抗压强度影响不大,但加量0.05%的ZrO₂复合水泥石弹性模量下降8.5%,且纳米ZrO₂加量在1%以下基本能满足水泥浆的施工性能。4.电镜分析纳米分散及其增强增韧的微观机理。电镜分析发现碳纳米管增强增韧机理,表现为拨出、桥联;纳米MgO、纳米ZrO₂表现为纳米诱导效应和网状填充效应。碳纳米管、纳米MgO、纳米ZrO₂等增强增韧材料在油井水泥中的应用,为纳米水泥浆体系的研发奠定了一定的基础。