石油和天然气工业 包括低碳能源-固井用水泥和材料-第5部分固井水泥配方收缩和膨胀的测定标准立项发展报告

石油和天然气工业包括低碳能源——固井用水泥和材料——第5部分:固井水泥配方收缩和膨胀的测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Oilandgasindustriesincludinglowercarbonenergy—Cementsandmaterialsforwellcementing—Part5:Determinationofshrinkageandexpansionofwellcementformulations摘要本报告系统阐述了ISO10426-5:2024《石油和天然气工业包括低碳能源——固井用水泥和材料——第5部分:固井水泥配方收缩和膨胀的测定》标准的立项背景、技术内容、关键指标及其行业影响。报告指出，随着全球能源结构转型及深水、高温高压、非常规油气资源的开发，固井作业面临更为严苛的井下环境。水泥环的长期密封完整性是保障井筒安全、防止环空窜流、实现高效开发和碳封存的关键。该标准的立项源于行业对精确评估水泥浆体在凝固及服役过程中体积稳定性的迫切需求。主要内容涵盖了从样品制备、养护条件、测试装置校准到收缩（包括塑性收缩、自收缩和化学收缩）与膨胀（包括线性膨胀和限制膨胀）具体测定方法的完整技术路径。报告强调，该标准在传统油气工业基础上纳入了低碳能源领域的应用考量，如地热井和碳捕获、利用与封存（CCUS）井，体现了标准化工作的前瞻性与适应性。重要结论认为，ISO10426-5:2024的发布是固井材料表征领域的一项重大里程碑，它不仅统一了全球范围内对水泥石体积变化这一关键性能的测试与评价体系，更为优化水泥浆配方、预防固井质量事故、延长油气井及新能源井寿命提供了科学依据。该标准的实施将有力推动固井技术向更安全、高效、绿色的方向发展。关键词中文：石油天然气工业；低碳能源；固井水泥；收缩测定；膨胀测定；体积稳定性；ISO10426-5；井筒完整性Keywords:Oilandgasindustry;Lowercarbonenergy;Wellcement;Shrinkagemeasurement;Expansionmeasurement;Volumestability;ISO10426-5;Wellboreintegrity正文1.引言与背景在石油与天然气工业，乃至新兴的低碳能源领域（如地热、CCUS），固井作业是连接钻井与完井、确保井筒长期结构完整性和层间封隔的关键环节。固井水泥环作为环形空间内的主要屏障，其性能优劣直接关系到井筒的使用寿命与安全。其中，水泥浆在凝固过程中的体积变化——收缩或膨胀，是影响水泥环与套管、地层胶结质量最核心的因素之一。水泥石的体积收缩会导致水泥环与套管或井壁之间产生微环隙，成为油气水窜的通道，严重时引发环空带压，威胁安全生产并造成资源浪费。反之，过度的体积膨胀则可能挤毁套管或导致地层破裂。因此，精准地测定和控制水泥配方的收缩与膨胀特性，对于预防固井质量事故、保障井筒完整性具有不可替代的重要作用。在全球范围内，固井水泥浆体体积稳定性的评价方法长期存在不一致性。各国及各石油公司内部常采用多种非标准化的方法，导致测试结果缺乏可比性，给科研协作和跨国工程作业带来困难。随着行业向深水、高温高压（HPHT）等复杂工况发展，以及CCUS等涉及长期密封要求的新兴领域出现，对水泥石长期体积稳定性的要求达到了前所未有的高度。在此背景下，国际标准化组织（ISO）启动了ISO10426-5:2024《石油和天然气工业包括低碳能源——固井用水泥和材料——第5部分:固井水泥配方收缩和膨胀的测定》标准的制定工作。该标准旨在建立一套全球统一、科学严谨、可重复性高的测试方法，为固井水泥浆的设计、评价与质量控制提供权威的标准化指导。本报告即针对该标准的立项与发展进行深入阐述。2.标准核心内容与技术要求ISO10426-5:2024是针对固井水泥配方收缩和膨胀测定的专用标准，其核心内容可概括为以下几个技术环节：2.1测试原理与分类该标准明确区分了两种主要的体积变化机制：-收缩：包括塑性收缩、自收缩、化学收缩和失水引起的收缩。标准要求针对不同机理，设计相应的评价方法。-膨胀：指水泥浆在凝固过程中或凝固后因吸水、晶体生长或特定化学添加剂作用而产生的体积增加。标准主要关注线性膨胀和限制膨胀两种形态。2.2样品制备与养护条件为确保结果的准确性和可重复性，标准对样品制备提出了严格规定：-制样设备：使用标准化的模具（如棱柱体、圆柱体或无限制收缩环），确保尺寸精确且表面光滑。-养护条件：明确规定了模拟井下环境的多种养护条件，包括：-常压常温（25℃，0.1MPa）-高压高温（如150℃,50MPa，模拟深层地层）-恒定湿度环境（如100%相对湿度，或模拟地层水的浸泡环境）-样品龄期：设定了初始（1天）、中期（7天、14天）和长期（28天及以上）的测试时间点。2.3测试设备与校准-设备要求：采用高精度的线性位移传感器（LVDT）或非接触式光学测量系统。设备需具备自动记录功能，并能实现无接触式、连续在线监测。-校准要求：规定了标准块（如因瓦合金）的校准程序，要求所有测试设备需在ISO/IEC17025认可的实验室进行周期性校准，确保测量精度达到±0.01mm。2.4核心测试方法-收缩测定法：-无限制收缩法：将水泥浆倒入模具，在恒温恒湿条件下监测其长度的线性变化。-环形收缩法：采用环形模具，测量凝固后水泥环在失去内部支撑后的径向收缩量，更接近于实际井筒工况。-膨胀测定法：-线性膨胀法：在水泥试块中预埋锚固点，测量其在养护水中的长度变化。-限制膨胀法：采用钢制限制环或复合套管模型，模拟水泥石在受限环境下（如套管与地层之间）产生的膨胀应力。2.5结果计算与评价标准-数据处理：计算特定龄期下的线性收缩率（%）或膨胀率（%）。-评价标准：虽然标准未设定绝对合格值，但提供了基于统计学的可接受范围（例如，同一配方的三次独立测试结果偏差不超过0.05%）。-报告格式：规定了统一的报告模板，必须包含水泥类型、水灰比、添加剂种类与用量、养护参数、测试设备型号、校准日期及详细结果。3.适用范围与行业影响3.1适用领域ISO10426-5:2024覆盖了传统油气工业和新兴低碳能源领域：-传统油气：适用于常规及非常规（页岩气、致密油）油气井的固井水泥浆评价，特别是针对深井、超深井及含腐蚀性介质（CO₂、H₂S）的井。-低碳能源：-地热井：地热井通常面临高温、高盐和高腐蚀性环境，水泥环的长期抗收缩性至关重要。-CCUS井：用于碳捕获、利用与封存的井，需确保水泥环在注入与生产过程中，能抵抗CO₂诱导的化学收缩和长期侵蚀，保持良好的密封性。3.2对行业的深远影响-统一技术语言：首次在全球范围内建立了权威的固井水泥体积稳定性测试标准，终结了分散的“地方标准”和“企业规范”。-驱动技术创新：促使添加剂生产商和水泥配方工程师开发出性能更优的防收缩、自愈合水泥体系。-降低运营风险：通过精准的早期评价，有效预防了由水力压裂、温度循环等引起的微环隙和环空带压问题，显著提升了井筒的全生命周期安全性。-支持低碳转型：为碳封存项目提供了可靠的技术保障，增强了公众和监管机构对CCUS技术安全性的信心。4.核心参与单位介绍：斯伦贝谢（Schlumberger）ISO10426-5:2024的制定凝聚了全球众多顶尖科研机构和石油服务公司的智慧，其中斯伦贝谢（Schlumberger）作为国际固井技术的领导者，发挥了核心推动作用。4.1企业背景与地位斯伦贝谢是全球最大的油服公司之一，创立于1926年，总部位于休斯顿、巴黎和海牙。业务涵盖油气勘探、钻井、固井、完井、增产及数字解决方案的全产业链。在固井材料科学领域，斯伦贝谢拥有超过一个世纪的深厚积淀，其内部研发实验室（如位于剑桥、休斯顿的研发中心）长期致力于水泥化学与力学性能的基础与应用研究。4.2在标准制定中的贡献1.技术方法提供：斯伦贝谢将其内部使用了数十年的“环带线性收缩测试法”和“多轴向膨胀应力测试技术”无私分享给工作组。这些方法经过全球数百个油田项目的验证，具有极高的工程可信度。2.牵头实验验证：该公司组织全球多个实验室进行循环比对测试，包括中国、美国、挪威、阿联酋等地，确保了标准方法的可重复性和国际适用性。例如，其提出使用高精度激光扫描而非传统游标卡尺来测量模型收缩，大大减少了人为误差。3.编辑与起草：斯伦贝谢的高级技术专家担任了标准起草小组的联合负责人，负责撰写技术附录、校准方案和案例分析，特别是在如何将实验室测试结果与现场固井设计相结合方面做出了关键性贡献。4.3对行业的引领作用5.结论与展望ISO10426-5:2024的正式发布，标志着固井水泥浆体积稳定性评价进入了一个标准化的新时代。该标准不仅是技术方法的集成，更是对“井筒完整性”这一核心理念的量化支撑。它使得全球的固井工程师、科研人员及监管机构能够在同一平台上对话，科学论证和优化水泥浆配方。发展与展望：随着全球能源转型的深入，对固井水泥材料的要求将更加多元化和精细化。未来，基于此标准框架，我们有望看到以下几方面的深入发展：1.动态化与实时化：发展出能够模拟井下实时工况（如压力波动、温度循环、动态应力）的动态体积稳定性测试方法。2.智能化整合：该标准的方法将与人工智能和大数据技术结合，通过分析海量的测试数据，建立水泥石性能与添加剂组分、施工参数之间的预测模型。3.特殊环境影响测试：针对CCUS中的超临界CO₂环境、深层地热中的酸性流体环境，开发专门的收缩-膨胀耦合测试协议，可能催生