TC01水泥《油井水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)方法》-編制說明（征求意見稿）

1、工作簡(jiǎn)要過程，來源、主要參加單位和工作組成員

1）工作簡(jiǎn)要過程

2019年年初，標(biāo)準(zhǔn)制定小組開始進(jìn)行調(diào)研以及樣品的收集工作。

2018年9月開始試驗(yàn)驗(yàn)證工作，于2019年4月形成標(biāo)準(zhǔn)草稿，并于

2019年4月申請(qǐng)立項(xiàng)。

2019年4月，《油井水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

立項(xiàng)申請(qǐng)經(jīng)中國材料與試驗(yàn)用團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CSTM）建筑材料領(lǐng)域

委員會(huì)水泥技術(shù)委員會(huì)審查通過。會(huì)后根據(jù)委員的意見和建議，修改

了標(biāo)準(zhǔn)草稿，并提交水泥技術(shù)委員會(huì)。2019年7月，形成了標(biāo)準(zhǔn)征

求意見稿和標(biāo)準(zhǔn)編制說明。

2）項(xiàng)目來源

2019年4月中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)材試標(biāo)字[2019]32號(hào)

文下發(fā)了《油井水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)》立項(xiàng)通知，標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目歸

口管理委員會(huì)為CSTM/FC03/TC01建筑材料領(lǐng)域委員會(huì)水泥技術(shù)委員

會(huì)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃編號(hào)為CSTMLX03010024-2019，項(xiàng)目牽頭單位為中

國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)、研究院所、

工程單位及儀器廠家，組成產(chǎn)學(xué)研用團(tuán)隊(duì)，共同完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

3)主要參加單位和工作組成員

主要參加單位：中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司、西南石油

大學(xué)和中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司工程技術(shù)研

究院。

工作組主要成員：

成員姓名所在單位電話

文寨軍中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公/p>

王晶中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公/p>

高顯束中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公/p>

王敏中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公/p>

程小偉西南石油大/p>

中國石油天然氣股份有限公司西南油

鄭友/p>

氣田分公司工程技術(shù)研究院

中國石油天然氣股份有限公司西南油

辜/p>

氣田分公司工程技術(shù)研究院

2、標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

1）標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象簡(jiǎn)要情況（試驗(yàn)方法的水平及使用情況，試驗(yàn)設(shè)備及

儀器情況）

本標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)應(yīng)用于對(duì)油井水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度有要求的

場(chǎng)合或服役于應(yīng)力交變載荷條件下的油井水泥。

高壓油氣井固井施工過程中急需解決環(huán)空油氣水竄問題，由于油

氣侵入水泥漿嚴(yán)重影響水泥漿在一二界面的膠結(jié)質(zhì)量，水泥環(huán)不能充

分有效隔離油氣水層，制約了分層開采和大型壓裂增產(chǎn)措施的實(shí)施。

為更好地模擬井下溫度和壓力條件對(duì)水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度進(jìn)行

精確測(cè)量，國內(nèi)外開發(fā)了許多水泥漿靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試方法，其中超聲

波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)方法可以比較方便地模擬井下溫度和壓力利用超

聲波無損測(cè)量技術(shù)測(cè)量水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展過程，應(yīng)用前景最好。

因此本試驗(yàn)方法的制定是為超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)方法提供規(guī)范性

指導(dǎo)，為安全高效開發(fā)油氣資源奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

試驗(yàn)設(shè)備和儀器：本標(biāo)準(zhǔn)涉及主要儀器設(shè)備靜膠凝強(qiáng)度測(cè)定儀。

該壓力釜應(yīng)包括溫度測(cè)量系統(tǒng)和超聲波測(cè)試系統(tǒng)。溫度測(cè)量系統(tǒng)的精

度應(yīng)校準(zhǔn)至±2℃，超聲波測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)包括壓力釜、計(jì)算機(jī)和具有靜

膠凝強(qiáng)度分析功能的軟件組成。

其他常規(guī)儀器設(shè)備如常壓養(yǎng)護(hù)箱、篩子、拌合裝置和電子天平

等應(yīng)符合GB/T10238的規(guī)定。

2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

（1）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)或理由

本標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法的確定，除了參考國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)外，標(biāo)準(zhǔn)編

制組還進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析基礎(chǔ)上最后

確定的試驗(yàn)方法。

油氣井固井中關(guān)注的主要問題之一是環(huán)空竄流，針對(duì)固井過程中

的防氣竄有不少研究。在固井過程中，一旦水泥漿頂替就位開始候凝，

水泥漿將經(jīng)歷如下過程:起初水泥漿具有足夠的流動(dòng)性能，能夠充分

傳遞上部的液柱壓力，之后隨著水泥漿水化作用的加劇，水泥漿逐漸

喪失流動(dòng)性能而呈現(xiàn)塑態(tài)，具有液態(tài)和固態(tài)的雙重性質(zhì)，此時(shí)漿體既

可以傳壓，又可以承壓，使水泥漿柱既懸掛在井壁和套管上，又部分

作用在井底上，井筒內(nèi)的液柱壓力逐漸降低，即所謂水泥漿失重。水

泥漿的稠化時(shí)間長(zhǎng)短并不能直接決定水泥漿在井底候凝時(shí)所能維持

的時(shí)間長(zhǎng)短。

Sabins等人討論了水泥漿在候凝期間發(fā)生的變化，Tinsley等

人研究了水泥漿候凝過程中的這些變化對(duì)環(huán)空氣竄的影響。相關(guān)研究

表明，水泥漿候凝過程中靜膠凝強(qiáng)度不斷變大，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的

測(cè)量對(duì)于防止固井過程中的氣竄及提高固井質(zhì)量非常關(guān)鍵。

（2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則

本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第一部分：標(biāo)準(zhǔn)的

結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》進(jìn)行編寫。

3、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)情況

無。

4、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容（包括牌號(hào)、成分、性能指標(biāo)、型號(hào)、各種參數(shù)、公式、

試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等）確定的論據(jù)（包括試驗(yàn)、驗(yàn)證、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

等）

水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的測(cè)試方法主要有兩種，一是根據(jù)水泥漿靜膠

凝強(qiáng)度的物理定義，直接測(cè)量破壞水泥漿結(jié)構(gòu)所需要的最小剪切應(yīng)力，

再換算成為靜膠凝強(qiáng)度。另一種就是根據(jù)Sabins等人用經(jīng)典剪切應(yīng)

力方程推導(dǎo)的公式:

P=4LSgs/D

式中，P—用于克服靜膠凝強(qiáng)度的壓力，Pa;

Sgs—靜膠凝強(qiáng)度，Pa;

L—水泥漿柱長(zhǎng)度，m;

D—環(huán)空直徑，m。

通過測(cè)量水泥漿柱由靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展引起的壓力降，再根據(jù)上述

公式換算出靜膠凝強(qiáng)度。

目前國內(nèi)外石油行業(yè)還沒有測(cè)量水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的行業(yè)規(guī)范

或者標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)已制備了一些測(cè)試水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的設(shè)備，相應(yīng)的

測(cè)量方法有:①旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法;②浮筒法;③旋轉(zhuǎn)法;④金屬片剪切

法;⑤刀片切割法。這些裝置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的可靠性依然

存疑。目前廣泛采用的是國外先進(jìn)的超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試儀器及方

法方法。

這類儀器采用超聲波無損測(cè)量技術(shù)測(cè)量井底溫度、壓力下水泥漿

的靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展過程，同時(shí)還能測(cè)量水泥漿的超聲波抗壓強(qiáng)度隨

時(shí)間的發(fā)展過程。測(cè)試原理是:當(dāng)超聲波穿過水泥漿時(shí)，超聲波信號(hào)

的衰減與水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的發(fā)展有一定的關(guān)系，當(dāng)振幅的變化在靜

膠凝強(qiáng)度為36~672Pa時(shí)有較好的線性關(guān)系。通過制備一系列目標(biāo)水

泥漿，用前述的普通靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備和超聲波設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，便

獲得了超聲波信號(hào)的變化與靜膠凝強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。超聲波設(shè)備

測(cè)試靜膠凝強(qiáng)度的工作原理為:通過向目標(biāo)水泥漿持續(xù)發(fā)射經(jīng)過一定

頻率濾波器過濾的超聲波，記錄超聲波振幅的變化曲線，通過之前確

定的數(shù)學(xué)關(guān)系確定目標(biāo)水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線。其測(cè)試原理如

圖1所示。

圖1超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試工作原理

5、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)地說明采用該標(biāo)

準(zhǔn)的目的、意義，采用標(biāo)準(zhǔn)程度及理由，我國標(biāo)準(zhǔn)同被采用標(biāo)準(zhǔn)、

和/或與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)的主要差異及其原因，或與測(cè)試的

國外樣品的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比情況等。

本標(biāo)準(zhǔn)為超聲波靜膠凝強(qiáng)度方法的首次制定，不涉及采用國際標(biāo)

準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)。

6、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）結(jié)果的分析、綜述報(bào)告、技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)

期的經(jīng)濟(jì)效果等。

為驗(yàn)證本標(biāo)準(zhǔn)修改的科學(xué)性和合理性，我們收集了具有代表性的

油井水泥生產(chǎn)企業(yè)的G級(jí)水泥樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。不同配方的G級(jí)

油井水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2~圖12所示

圖2G級(jí)油井水泥樣品1超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3G級(jí)油井水泥樣品2超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4G級(jí)油井水泥樣品3超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5G級(jí)油井水泥樣品4超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖6G級(jí)油井水泥樣品5超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖7G級(jí)油井水泥樣品6超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖8G級(jí)油井水泥樣品7超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖9G級(jí)油井水泥樣品8超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖10G級(jí)油井水泥樣品9超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖11G級(jí)油井水泥樣品10超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖12G級(jí)油井水泥樣品11超聲波靜膠凝強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

我們對(duì)收集水泥樣品進(jìn)行了超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果

（圖2~圖12）表明采用同一臺(tái)超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)得的油井

水泥超聲波靜膠凝強(qiáng)度曲線存在一定差異，這是由于每個(gè)油井水泥分

別來自不同油井水泥生產(chǎn)企業(yè)，其組成和制備工藝存在一定偏差，但

是其膠凝強(qiáng)度曲線發(fā)展規(guī)律類似，這也說明了測(cè)試方法的科學(xué)性。而

采用兩臺(tái)相同型號(hào)的超聲波靜膠凝強(qiáng)度分析儀同時(shí)測(cè)量同一水泥樣

品的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況，可知其測(cè)定結(jié)果差異不大，這也說明了測(cè)

定方法的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。圖13為相同型號(hào)兩臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)試同一

水泥樣品超聲波靜膠凝強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

圖13相同型號(hào)兩臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)定同一水泥樣品試驗(yàn)結(jié)果

7、對(duì)征求意見及重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)。

無

8、標(biāo)準(zhǔn)水平建議，預(yù)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效果。

在靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試方法中，超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試方法具有無損

檢測(cè)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)油氣井固井工程中對(duì)靜膠凝強(qiáng)度有要求的油井水泥，均推薦

采用本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試，以規(guī)范試驗(yàn)

要求，為油井水泥生產(chǎn)企業(yè)和油氣井固井工程提供技術(shù)性指導(dǎo)，保證

我國油氣資源安全高效開發(fā)。

9、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的