CSTM-油井水泥超声波静胶凝强度试验方法编制说明

油井水泥超声波静胶凝强度试验方法TestMethodforUltrasonicStaticGelStrengthofOilWellCement编制说明（征求意见稿）中国建筑材料科学研究总院有限公司2019年7月工作简要过程，来源、主要参加单位和工作组成员1）工作简要过程2019年年初，标准制定小组开始进行调研以及样品的收集工作。2018年9月开始试验验证工作，于2019年4月形成标准草稿，并于2019年4月申请立项。2019年4月，《油井水泥超声波静胶凝强度试验方法》团体标准立项申请经中国材料与试验用团体标准委员会（CSTM）建筑材料领域委员会水泥技术委员会审查通过。会后根据委员的意见和建议，修改了标准草稿，并提交水泥技术委员会。2019年7月，形成了标准征求意见稿和标准编制说明。2）项目来源2019年4月中国材料与试验团体标准委员会材试标字[2019]32号文下发了《油井水泥超声波静胶凝强度试验》立项通知，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC03/TC01建筑材料领域委员会水泥技术委员会，标准计划编号为CSTMLX03010024-2019，项目牵头单位为中国建筑材料科学研究总院有限公司联合国内相关生产企业、研究院所、工程单位及仪器厂家，组成产学研用团队，共同完成标准制定工作。3)主要参加单位和工作组成员主要参加单位：中国建筑材料科学研究总院有限公司、西南石油大学和中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司工程技术研究院。工作组主要成员：成员姓名所在单位电话文寨军中国建筑材料科学研究总院有限公晶中国建筑材料科学研究总院有限公显束中国建筑材料科学研究总院有限公敏中国建筑材料科学研究总院有限公小伟西南石油大友志中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司工程技术研究涛中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司工程技术研究准化对象简要情况及制修订标准的原则1）标准化对象简要情况（试验方法的水平及使用情况，试验设备及仪器情况）本标准主要针对应用于对油井水泥超声波静胶凝强度有要求的场合或服役于应力交变载荷条件下的油井水泥。高压油气井固井施工过程中急需解决环空油气水窜问题，由于油气侵入水泥浆严重影响水泥浆在一二界面的胶结质量，水泥环不能充分有效隔离油气水层，制约了分层开采和大型压裂增产措施的实施。为更好地模拟井下温度和压力条件对水泥浆的静胶凝强度进行精确测量，国内外开发了许多水泥浆静胶凝强度测试方法，其中超声波静胶凝强度试验方法可以比较方便地模拟井下温度和压力利用超声波无损测量技术测量水泥浆的静胶凝强度发展过程，应用前景最好。因此本试验方法的制定是为超声波静胶凝强度试验方法提供规范性指导，为安全高效开发油气资源奠定技术基础。试验设备和仪器：本标准涉及主要仪器设备静胶凝强度测定仪。该压力釜应包括温度测量系统和超声波测试系统。温度测量系统的精度应校准至±2℃，超声波测试系统应包括压力釜、计算机和具有静胶凝强度分析功能的软件组成。其他常规仪器设备如常压养护箱、筛子、拌合装置和电子天平等应符合GB/T10238的规定。2）制修订标准的原则（1）制修订标准的依据或理由本标准中试验方法的确定，除了参考国内外有关文献外，标准编制组还进行了大量试验验证，对验证试验数据的综合分析基础上最后确定的试验方法。油气井固井中关注的主要问题之一是环空窜流，针对固井过程中的防气窜有不少研究。在固井过程中，一旦水泥浆顶替就位开始候凝，水泥浆将经历如下过程:起初水泥浆具有足够的流动性能，能够充分传递上部的液柱压力，之后随着水泥浆水化作用的加剧，水泥浆逐渐丧失流动性能而呈现塑态，具有液态和固态的双重性质，此时浆体既可以传压，又可以承压，使水泥浆柱既悬挂在井壁和套管上，又部分作用在井底上，井筒内的液柱压力逐渐降低，即所谓水泥浆失重。水泥浆的稠化时间长短并不能直接决定水泥浆在井底候凝时所能维持的时间长短。Sabins等人讨论了水泥浆在候凝期间发生的变化，Tinsley等人研究了水泥浆候凝过程中的这些变化对环空气窜的影响。相关研究表明，水泥浆候凝过程中静胶凝强度不断变大，水泥浆静胶凝强度的测量对于防止固井过程中的气窜及提高固井质量非常关键。（2）制修订标准的原则本标准按照GB/T1.1-2009《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》进行编写。采用国际标准和国外先进标准情况无。标准主要内容（包括牌号、成分、性能指标、型号、各种参数、公式、试验方法、检验规则等）确定的论据（包括试验、验证、统计数据等）水泥浆静胶凝强度的测试方法主要有两种，一是根据水泥浆静胶凝强度的物理定义，直接测量破坏水泥浆结构所需要的最小剪切应力，再换算成为静胶凝强度。另一种就是根据Sabins等人用经典剪切应力方程推导的公式:P=4LSgs/D式中，P—用于克服静胶凝强度的压力，Pa;Sgs—静胶凝强度，Pa;L—水泥浆柱长度，m;D—环空直径，m。通过测量水泥浆柱由静胶凝强度发展引起的压力降，再根据上述公式换算出静胶凝强度。目前国内外石油行业还没有测量水泥浆静胶凝强度的行业规范或者标准，国内已制备了一些测试水泥浆静胶凝强度的设备，相应的测量方法有:①旋转黏度计法;②浮筒法;③旋转法;④金属片剪切法;⑤刀片切割法。这些装置相对比较简单，测量结果的可靠性依然存疑。目前广泛采用的是国外先进的超声波静胶凝强度测试仪器及方法方法。这类仪器采用超声波无损测量技术测量井底温度、压力下水泥浆的静胶凝强度的发展过程，同时还能测量水泥浆的超声波抗压强度随时间的发展过程。测试原理是:当超声波穿过水泥浆时，超声波信号的衰减与水泥浆静胶凝强度的发展有一定的关系，当振幅的变化在静胶凝强度为36~672Pa时有较好的线性关系。通过制备一系列目标水泥浆，用前述的普通静胶凝强度测试设备和超声波设备进行测试，便获得了超声波信号的变化与静胶凝强度之间的对应关系。超声波设备测试静胶凝强度的工作原理为:通过向目标水泥浆持续发射经过一定频率滤波器过滤的超声波，记录超声波振幅的变化曲线，通过之前确定的数学关系确定目标水泥浆的静胶凝强度发展曲线。其测试原理如图1所示。图1超声波静胶凝强度测试工作原理采用国际标准和国外先进标准的项目，应当详细地说明采用该标准的目的、意义，采用标准程度及理由，我国标准同被采用标准、和/或与国际、国外同类标准的主要差异及其原因，或与测试的国外样品的有关数据对比情况等。本标准为超声波静胶凝强度方法的首次制定，不涉及采用国际标准和国外标准。主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等。为验证本标准修改的科学性和合理性，我们收集了具有代表性的油井水泥生产企业的G级水泥样品进行试验验证。不同配方的G级油井水泥超声波静胶凝强度试验结果如图2~图12所示图2G级油井水泥样品1超声波静胶凝强度试验结果图3G级油井水泥样品2超声波静胶凝强度试验结果图4G级油井水泥样品3超声波静胶凝强度试验结果图5G级油井水泥样品4超声波静胶凝强度试验结果图6G级油井水泥样品5超声波静胶凝强度试验结果图7G级油井水泥样品6超声波静胶凝强度试验结果图8G级油井水泥样品7超声波静胶凝强度试验结果图9G级油井水泥样品8超声波静胶凝强度试验结果图10G级油井水泥样品9超声波静胶凝强度试验结果图11G级油井水泥样品10超声波静胶凝强度试验结果图12G级油井水泥样品11超声波静胶凝强度试验结果我们对收集水泥样品进行了超声波静胶凝强度测定。试验结果（图2~图12）表明采用同一台超声波静胶凝强度测定仪测得的油井水泥超声波静胶凝强度曲线存在一定差异，这是由于每个油井水泥分别来自不同油井水泥生产企业，其组成和制备工艺存在一定偏差，但是其胶凝强度曲线发展规律类似，这也说明了测试方法的科学性。而采用两台相同型号的超声波静胶凝强度分析仪同时测量同一水泥样品的静胶凝强度发展情况，可知其测定结果差异不大，这也说明了测定方法的准确性和科学性。图13为相同型号两台仪器同时测试同一水泥样品超声波静胶凝强度的试验结果。图13相同型号两台仪器同时测定同一水泥样品试验结果对征求意见及重大分歧意见的处理经过和依据。无标准水平建议，预期的社会经济效果。在静胶凝强度测试方法中，超声波静胶凝强度测试方法具有无损检测，实时数据收集和实时显示的优点。针对油气井固井工程中对静胶凝强度有要求的油井水泥，均推荐采用本标准规定的测试方法进行超声波静胶凝强度测试，以规范试验要求，为油井水泥生产企业和油气井固井工程提供技术性指导，保证我国油气资源安全高效开发。