ISO 10426-52024 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摘要关键词：固井水泥；收缩与膨胀；体积稳定性；ISO10426-5；井筒完整性；低碳能源；标准化Keywords:Wellcement;Shrinkageandexpansion;Volumestability;ISO10426-5;Wellboreintegrity;Lowercarbonenergy;Standardization一、引言油气井固井作业是石油与天然气勘探开发工程中的关键环节，其核心目的是通过注入水泥浆并在套管与井壁之间形成致密的水泥环，实现层间封隔、支撑套管以及防止地层流体窜流等功能。水泥环的长期密封有效性直接关系到油气井的生产安全、使用寿命以及地下水资源保护。然而，水泥浆体在水化硬化过程中普遍伴随着体积变化——水泥基材料在水化反应过程中的固有物理化学特性决定了其体积不可避免地发生收缩或膨胀。当水泥环发生过度收缩时，将在水泥环与套管或水泥环与地层界面处产生微环隙，形成气体或液体窜流的通道；而当水泥环发生过度膨胀时，则可能导致套管挤压变形甚至破损。因此，准确测定和评价固井水泥配方的收缩与膨胀特性，对于优化水泥浆体系设计、保障固井质量和井筒长期完整性具有至关重要的意义。近年来，随着全球能源行业向低碳方向转型，碳捕集利用与封存（CCUS）技术作为实现碳中和目标的关键路径之一，其规模化应用对固井水泥提出了更为严苛的性能要求。在CO₂注入井中，水泥环不仅需要承受常规的温压载荷，还需长期抵抗CO₂的腐蚀作用，体积稳定性要求更加突出。ISOTC67/SC3（钻井液与固井材料分技术委员会）在修订原有ISO10426系列标准的过程中，将低碳能源场景纳入适用范围，并针对水泥配方体积稳定性测试方法进行了系统修订和升级，最终形成了ISO10426-5:2024这一重要标准文件。本报告将从标准立项背景、技术内容解析、主要参与单位介绍等多个维度，对该标准进行全面而深入的阐述，为相关技术人员和管理人员提供参考。二、标准立项背景与编制原则2.1行业技术发展与标准需求固井水泥浆的体积稳定性问题长期以来受到国内外石油工业界的高度关注。水泥浆体在水化过程中的体积变化主要包括化学收缩、干燥收缩、热收缩以及膨胀组分引起的体积增长等。其中，化学收缩是水泥水化产物绝对体积小于反应物总体积所导致的固有现象，任何水泥基材料均难以避免；而干燥收缩则主要发生在水泥石暴露于低湿度环境下，由毛细孔失水引起。对于油气井固井而言，井下环境通常处于高温高压和高湿度状态，水泥浆体的体积行为与地面建筑混凝土存在显著差异，需要专门的测试方法进行评价。在ISO10426-5:2024发布之前，行业中对固井水泥体积稳定性的测试主要参照ISO10426-2（固井水泥试验方法）中的相关条款，或依赖各石油公司内部的企业标准和实验室操作规程。不同实验室之间在试验条件、试件尺寸、测量方法和数据处理等方面存在较大差异，导致测试结果缺乏可比性，难以在行业范围内形成统一的质量评价基准。尤其对于掺有膨胀剂、增韧材料等特种外加剂的新型水泥浆体系，传统的测试方法已难以满足精确评价的需求。与此同时，ISO10426系列标准的整体框架也在不断演进和完善。原ISO10426-5:2004版本主要针对油井水泥收缩与膨胀测定的基础方法进行了规定，但随着深井、超深井、高温高压井、深水固井以及CCUS注入井等复杂工况的不断涌现，对水泥环体积稳定性的控制要求日益提高，亟需对原标准进行系统修订，补充和完善更加精确、可操作性更强的测试方法。2.2低碳能源转型对标准的新要求在全球应对气候变化和推进能源绿色低碳转型的大背景下，石油和天然气工业正在经历深刻的变革。国际标准化组织敏锐地把握这一趋势，在ISO10426系列标准的名称中增加了“includinglowercarbonenergy”的表述，将标准适用范围从传统的油气井固井拓展至涵盖碳封存井、地热井、天然气水合物开发井等低碳能源领域相关井型的固井作业。在CO₂封存井中，注入的CO₂通常处于超临界状态，具有强腐蚀性和高渗透性。水泥环不仅需要在长期接触CO₂的环境中保持化学稳定性，还必须维持良好的力学密封性能，而体积稳定性是其中最为关键的技术指标之一。水泥环一旦发生显著收缩，CO₂将沿微环隙或水泥石本体中的微裂缝快速渗透迁移，导致封存失效，带来严重的环境与安全风险。因此，ISO10426-5:2024在修订过程中充分考虑了低碳能源应用场景的特殊需求，在样品准备、试验条件和评价指标等方面进行了相应的调整和完善。2.3编制原则与工作过程ISO10426-5:2024由ISO/TC67（石油、石化和天然气工业标准化技术委员会）下属的SC3分技术委员会（钻井液和固井材料）负责制定，由美国石油学会（API）秘书处承担相关工作。标准编制工作遵循了ISO标准制定的透明性、一致性、协调性和有效性原则，广泛吸收了各成员体在固井水泥体积稳定性测试方面的实践经验和技术成果。在编制过程中，工作组系统收集和分析了全球范围内固井水泥收缩与膨胀测试领域的科研成果、实验数据和工业应用案例，重点参考了APIRP10B-5等相关行业推荐规程，并在此基础上进行了大量的实验室比对试验，以验证不同测试方法的精度和可重复性。标准草案经过多轮讨论和征求意见，最终于2024年9月20日由ISO正式发布。三、标准主要内容解析3.1标准适用范围ISO10426-5:2024规定了测定固井水泥配方在常压和一定温度条件下收缩与膨胀的试验方法。该标准适用于评价固井水泥浆在水化硬化过程中的线性体积变化，涵盖了对水泥浆体从浆态到硬化体全过程的体积行为表征。标准适用于所有按照ISO10426-2规定的程序制备的水泥浆配方，包括掺有各种外加剂和掺合料的水泥浆体系。与前一版本相比，新标准明确将低碳能源领域的固井作业纳入适用范围，并扩充了对于模拟井下高温条件的试验能力。标准中规定的测试方法可用于水泥浆配方的筛选优化、质量控制以及水泥浆体系性能的对比评价。3.2规范性引用文件标准正文中引用了以下规范性文件，其条款通过引用而成为标准条款的组成部分：-ISO10426-2：石油和天然气工业包括低碳能源——固井用水泥和材料——第2部分：固井水泥试验方法。该标准规定了固井水泥浆的制备方法、稠化时间、失水量、抗压强度、流变性等基本性能的测试方法，是ISO10426-5:2024实施的基础性配套标准。-ISO10426-3：石油和天然气工业包括低碳能源——固井用水泥和材料——第3部分：深水井用水泥配方试验方法。对于深水固井场景中的水泥配方体积稳定性测试，可参考该标准的有关要求。对于注日期的引用文件，仅引用的版本适用；对于未注日期的引用文件，则适用其最新版本（包括所有修订版）。3.3术语和定义标准明确界定了以下关键术语和定义：-收缩（Shrinkage）：水泥浆体在水化硬化过程中由于化学反应、水分消耗等原因引起的体积减小现象，以线性变化率表示。-膨胀（Expansion）：水泥浆体在水化硬化过程中由于膨胀组分的作用或温度效应等引起的体积增大现象，以线性变化率表示。-试件（TestSpecimen）：按照标准规定的程序制备的、用于测定收缩与膨胀性能的水泥石试样，具有规定的尺寸和形状。-初凝时间（InitialSettingTime）：水泥浆体从拌合开始至达到规定稠度的时间点，用以确定测试的起始参考点。3.4测试原理与方法概述标准规定的测试方法的原理是基于对水泥石试件长度变化的连续或定期测量，以定量评价水泥浆配方在规定的养护条件下的体积稳定性。具体而言，将配制好的水泥浆体浇注到标准模具中成型为棱柱体或圆柱体试件，在水泥浆达到初凝后立即脱模并安装到专用的测量装置上。测量装置配备有高精度的位移传感器（如千分表或线性可变差动变压器），能够实时记录试件长度随养护时间的变化。试件在恒温条件下养护，温度可根据模拟井下条件在规定的范围内设定。收缩与膨胀值以试件长度变化量相对于初始长度的百分比表示，正值表示膨胀，负值表示收缩。该测试方法的关键优势在于能够在水泥浆体水化早期即开始连续监测体积变化，捕捉从塑性状态到硬化状态的完整体积演变过程，这一特征对于理解水泥浆早期体积行为至关重要。与传统的终凝后测定方法相比，新标准的方法能够更加全面地反映水泥浆的体积稳定性特性。3.5试验装置与材料要求标准对试验装置提出了详细的技术要求，主要包括以下几个方面：模具系统：用于成型水泥石试件的模具应具有足够的刚性和尺寸精度，内表面光滑，易于脱模。模具的尺寸公差应满足标准规定的要求，确保不同实验室制备的试件具有良好的一致性。模具设计应便于安装测量探头，并确保测量过程中试件端面与探头紧密接触。测量系统：测量系统由位移传感器、数据采集单元和数据处理软件组成。位移传感器的分辨率应不低于0.001mm，精度应满足规定的允差要求。数据采集系统应能够自动记录测量数据，采集频率可根据试验阶段的不同进行调整（早期可加密采集频次，后期可适当降低）。标准对测量系统的校准方法也作出了明确规定。养护装置：养护装置应能够将试件在规定温度下恒温养护，控温精度应满足标准要求。对于模拟井下高温条件的试验，养护装置应具备加热和保温功能；对于需要模拟低温环境的试验（如深水固井），则应具备制冷功能。测量介质：在测量过程中，试件通常浸泡在特定的液体介质中（如水或矿物油），以模拟井下湿态环境并防止试件水分散失。标准对测量介质的种类和性能要求进行了规定。3.6试验程序标准规定的试验程序主要包括以下步骤：(1)水泥浆制备：按照ISO10426-2的规定进行水泥浆的配制，包括称量、混合和搅拌等步骤。配制过程中应严格控制水灰比、外加剂掺量、混合顺序和搅拌时间等参数，确保水泥浆的均匀性和可重复性。水泥浆配方的详细信息应完整记录，包括水泥品种、批次、外加剂类型和掺量、水灰比等。(2)试件成型：将配制好的水泥浆立即浇注到标准模具中，在振动台上振动密实以排除气泡。模具内壁可预涂薄层脱模剂以利于脱模，但应注意脱模剂不得影响水泥浆的性能。浇注完成后，将模具移至恒温养护箱中，在规定的温度条件下养护至初凝。(3)初始测量：在水泥浆达到初凝后，迅速将试件从模具中取出，安装到测量装置上。此时记录的试件长度为初始长度，后续所有长度变化均相对于此值计算。(4)连续监测：启动数据采集系统，按照设定的时间间隔自动记录试件长度的变化数据。测量持续的时间周期根据标准的试验方案确定，通常不少于规定的最短养护龄期。在测量过程中，应确保养护温度恒定，避免温度波动对测量结果造成干扰。(5)结果计算：根据记录的试件长度变化数据，按照标准规定的公式计算不同龄期的收缩率或膨胀率。计算结果应精确到规定的小数位数，并进行必要的修正（如温度修正）。(6)试验报告：试验报告应包含水泥浆配方的完整信息、试验条件（温度、湿度、测量介质等）、各龄期的收缩/膨胀数据、曲线图以及结果分析等内容，格式应符合标准附录中的要求。3.7结果计算与表示试件的线性收缩率或膨胀率按以下公式计算：\[\varepsilon_t=\frac{L_t-L_0}{L_0}\times100\%\]其中：εt—t龄期时的线性变化率（%），正值表示膨胀，负值表示收缩；Lt—t龄期时试件的长度（mm）；L0—初始长度（mm）。标准要求至少采用三个平行试件进行平行试验，最终结果以算术平均值表示，并给出各试件的离散情况。当平行试件之间的偏差超出标准规定的允差范围时，应分析原因并重新进行试验。3.8精密度与偏差为保证试验结果的可靠性和实验室间可比性，标准给出了试验方法的精密度数据，包括重复性限和再现性限。重复性限表征了在同一实验室内、由同一操作人员、使用同一设备在相同条件下对同一材料进行多次测试所得结果的一致性程度；再现性限则表征了不同实验室之间测试结果的一致性程度。这些精密度数据基于国际实验室比对试验结果统计得出，为标准实施和结果评价提供了重要的统计学依据。四、主要参与单位与标准制定工作4.1ISO/TC67/SC3钻井液和固井材料分技术委员会ISO10426-5:2024由ISO/TC67（石油、石化和天然气工业标准化技术委员会）下属的SC3分技术委员会（钻井液和固井材料分技术委员会）负责制定和修订。该分技术委员会是国际固井材料标准化领域最权威的技术组织，其秘书处设于美国石油学会（API），主席和秘书分别来自美国和中国的标准化专家。ISO/TC67/SC3的工作范围涵盖石油和天然气工业（包括低碳能源领域）用钻井液材料、固井水泥及外加剂、固井辅助材料等的标准化工作，具体包括试验方法的制定、产品规范和推荐做法等。该分委员会下设多个工作组（WG），其中负责ISO10426-5修订工作的工作组汇集了来自美国、中国、英国、挪威、巴西、加拿大等多个成员体的技术专家，涵盖石油公司、技术服务公司、研究机构和检测机构等各类利益相关方，充分体现了国际标准制定的广泛代表性和协商一致性原则。4.2主要起草单位——美国石油学会（API）美国石油学会（AmericanPetroleumInstitute，简称API）是全球石油和天然气行业最具影响力的行业协会之一，成立于1919年，总部位于美国华盛顿特区。API在油气行业标准化领域拥有百余年的深厚积淀和丰富经验，其制定和发布的API标准在全球范围内被广泛采用，许多API标准被直接采纳或引用为ISO国际标准。在ISO10426-5:2024的编制过程中，API不仅承担了SC3分技术委员会秘书处的日常管理工作，还深度参与了标准技术内容的讨论和起草工作。API下属的固井材料工作组（APICommitteeonStandardizationofWellCements）长期从事固井材料性能测试方法的研究和标准化工作，其发布的APIRP10B-5《固井水泥配方收缩和膨胀的推荐做法》为ISO10426-5的修订提供了重要的技术参考和基础素材。API通过组织成员国之间的大量比对试验和广泛意见征集，为ISO10426-5:2024的顺利发布提供