TC01水泥《油井水泥超声波静胶凝强度试验方法》-编制说明（征求意见稿）

1、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/p>

王晶中国建筑材料科学研究总院有限公/p>

高显束中国建筑材料科学研究总院有限公/p>

王敏中国建筑材料科学研究总院有限公/p>

程小伟西南石油大/p>

中国石油天然气股份有限公司西南油

郑友/p>

气田分公司工程技术研究院

中国石油天然气股份有限公司西南油

辜/p>

气田分公司工程技术研究院

2、标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。

3、采用国际标准和国外先进标准情况

无。

4、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

5、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。

6、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

7、对征求意见及重大分歧意见的处理经过和依据。

无

8、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。

9、贯彻标准的