鉆探和開采新油井的關鍵部分是使用專用水泥對井眼進行襯砌，并防止井眼坍塌和泄漏。為了防止這些水泥在滲透到井的最深處之前過快地硬化，它們與稱為緩凝劑的化學物質混合在一起，從而減慢了凝固過程。

但是，很難研究這些緩凝劑的工作方式，因為該過程發生在難以在表面重現的極端壓力和溫度下。

現在，麻省理工學院和其他地方的研究人員已經開發出了用于觀察微觀細節的凝結過程的新技術，他們說，這一進展可能會導致開發出專門針對給定井位條件設計的新配方。這對于解決當今配方中可能發生的甲烷泄漏和井壁坍塌的問題可能會大有幫助。

麻省理工學院教授Oral Buyukozturk，麻省理工學院研究科學家Kunal Kupwade-Patil和其他八位論文的作者發表在《水泥與混凝土研究》雜志上的《水泥和混凝土研究》雜志上。

麻省理工學院土木與環境工程學教授喬治·馬康伯說：“目前正在使用的水泥有數百種不同的混合物”。他說，該小組開發的用于觀察這些不同配方在凝結過程中表現如何的新方法為開發這些特種水泥“打開了研究和創新的新環境”。

在極端條件下和存在各種腐蝕性化學物質的情況下，用于密封油井襯里的水泥通常必須在地表以下幾百米甚至數千米處凝固。緩凝劑的研究通常是通過從井中取出固化的水泥樣品進行實驗室測試來完成的，但是此類測試并未揭示固化過程中發生的化學變化順序的細節。

新方法使用了橡樹嶺國家實驗室的一種獨特的檢測器設置，稱為納米級有序材料衍射儀或NOMAD，用于執行稱為中子對分布函數分析或PDF的過程。該技術可以在材料中原位檢查原子對的分布，這些原子對模仿在真實油井深處遇到的實際條件。

該論文的合著者ORNL的Thomas Proffen說：“由于NOMAD具有高通量和中子對輕元素(如氫)的敏感性，因此它非常適合研究復雜的結構問題，例如了解混凝土中的水合作用。”

實驗表明，在廣泛使用的緩凝劑材料中起作用的主要機理是硬化水泥中鈣離子的消耗，鈣離子是硬化過程中的關鍵成分。由于存在的鈣離子較少，固化過程會大大減慢。這些知識應有助于實驗人員確定可以產生相同效果的不同化學添加劑。

鉆油井時，下一步是插入鋼套管以保護井眼的完整性，防止松散的材料塌陷到井中并造成堵塞。這些套管還可以防止處于高壓下的石油和天然氣逸出到周圍的巖石和土壤中，并遷移到地表，甲烷的泄漏在該地表中可對氣候變化起重要作用。但是，套管和井眼之間始終有一個可達幾英寸的空間。該空間必須充滿水泥漿，以防止泄漏并保護鋼襯免于暴露于水和腐蝕性化學藥品中，否則可能導致其失效。

甲烷是一種比二氧化碳強得多的溫室氣體，因此限制其逸出是限制油氣井對全球變暖的重要貢獻。

Buyukozturk說：“井中的甲烷，水和各種化學物質都會產生腐蝕問題。” “此外，井眼的圓周區域靠近地殼中具有不穩定性的部分，因此材料可能會掉入孔中并損壞套管。” 防止這些不穩定的方法是將水泥通過套管泵入井眼與套管之間的區域，從而提供“區域隔離”。然后，水泥提供了液壓密封，以使水和其他流體遠離套管。

他說，但是在深處發現的高溫和高壓呈現出一種“對材料最糟糕的事情”的環境，因此了解這些惡劣環境如何影響材料及其化學性質至關重要。他們盡自己的努力來密封油井。

本文的主要作者Kupwade-Patil說，這種研究固化過程的新方法提供了一種“精確理解該過程的方法，因此我們可以設計下一代的阻燃劑”。“這些阻滯劑非常重要，”不僅用于保護環境，而且還用于防止由于油井損壞或泄漏而造成的嚴重經濟損失。他說，在水泥密封過程中，“密封件的損失很嚴重，因此您不能承擔任何失誤” 。

“大約30年前獲得博士學位后，我的第一項工作就是改善油井固井質量，”加利福尼亞大學土木與環境工程學院Roy W. Carlson杰出教授Paulo Monteiro說沒有參與這項工作的伯克利。“當時，有限的復雜的表征技術是有限的，因此，很高興看到X射線和中子全散射法被用于研究在存在化學混合物的情況下油井水泥的水合作用。” 他補充說，這些新方法“有潛力指導量身定制的外加劑的開發，可以顯著改善油井固井性能。”