之差来计算有效应力，这就导致该方法后期的测试
结果相对静胶凝强度直接测试结果偏低，并随着水
化的进行二者偏差越来越大。因此，相对于失重法，
用测试水泥浆静胶凝强度发展的方法来研究液柱压
力的变化更准确。
3 应用
根据上述研究结果，按 1． 2 节实验方法，测量出 不同温度下水泥浆的液柱压力变化，按式（ 1） 求得 整个水泥浆柱在不同阶段的液柱压力变化，即可求 得整个环空的液柱压力发展。如要结果更精确，可 以将环空分割为多个小水泥浆柱，根据温度梯度的
（ 水泥浆静胶凝强度在 78 Pa 以内） ，两种仪器测得
的结果比较接近，但之后失重仪测得的结果相对要
偏低一些； 随着水泥浆候凝时间的延长，二者的差距
进一步拉大。
图 3 不同仪器测得水泥浆静胶凝强度的结果对比
导致失重仪测量结果与静胶凝强度分析仪测得 结果相 比 偏 小 的 原 因 主 要 如 下： 根 据 有 效 应 力 原 理［9］，如图 4 所示，沿 a-a 截面取隔离体，设水泥浆内 部 a-a 截面的总面积为 A，其中粒间接触面积之和为 As，则该平面内由孔隙水所占面积为 Aw = A － As。若 由外加负荷 （ 和 / 或自重） 在该研究平面上引起的法 向总应力为 σ，它必将由该面上的孔隙水和粒间接触 面共同分担。若此截面颗粒间接触面上作用的法向 应力为 σs，孔隙水压力为 uw，该面上的总法向力等于 孔隙水所承担的力和粒间所承担的力之和，见式（ 2） 。
2 结果与讨论
2． 1 水泥浆失重
使用油井水泥失重与气 / 液窜模拟测试仪，通过
测量水泥浆柱上下的压差，得到水泥浆柱的液柱压 力变化曲线，进行水泥浆的失重研究，结果见图 1。 从图 1（ a） 可知，随候凝时间的延长，成膜共聚物水 泥浆液柱压力的变化可以分为三个阶段： 快速下 降—缓慢降低—快速下降。两次实验水泥浆的初始 液柱高度略有不同，但液柱压力变化的趋势基本一 致，重现性较好。由图 1 （ b） 可知，随候凝时间的增 加，AMPS 共聚物水泥浆液柱压力的变化可以分为 两个阶段： 保持稳定—快速下降至零。两次实验水 泥浆的液柱压力发展趋势基本一致，重现性较好。
水泥浆静液柱压力变化的发展趋势。针对失重法和
用静胶凝强度仪直接测量水泥浆静胶凝发展强度的
结果，对两种仪器所测结果进行了比较。将失重仪
测量的水泥浆液柱压力用式（ 1） 换算，所得结果如
图 3 所示。由图可见，无论是成膜共聚物水泥浆还
是 AMPS 共 聚 物 水 泥 浆，在 水 泥 浆 液 态 性 较 强 时
强度发展对液柱压力的影响可以通过式（ 1） 计算求 得［8］。
Pr
=
4 × GS × L （ D － d）
（ 1）
其中，Pr—用于克服静胶凝强度的压力，Pa； GS—静 胶凝强度，Pa； L—水泥浆柱长度，m； D—井眼直径，
mm； d—套管直径，mm。
因此，要测量静胶凝强度引起的压降，可通过测
量水泥浆柱的静胶凝强度发展，再根据式（ 1） 得出
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油田化学
2012 年
1． 2 实验方法 现有的研究表明［5］，水泥浆液柱压力的变化受
制浆过程的影响较大。水泥浆的制备过程为： （ 1） 当测试温度低于 89℃ 时，按国家标准 GB 10238《油 井水泥》制 浆 后，倒 入 已 预 热 到 测 试 温 度 的 常 压 稠 化仪中搅拌 20 min，再倒入已预热到测试温度的水 泥浆静液柱压力变化测试仪器内进行实验； （ 2） 当 测试温度高于 89℃ 时，按国家标准 GB 10238 制浆 后，倒入 已 预 热 到 89℃ 的 常 压 稠 化 仪 中 搅 拌 20 min，再倒入已预热到 89℃ 的水泥浆静液柱压力变 化测试仪器内开始实验。
1 实验部分
1． 1 设备及材料 3070 瓦楞搅拌器，5265 水泥浆静胶凝强度分析
仪，美国千德乐公司； OWC-9350A 常压稠化仪，沈阳 航空工业学院； OWC-0480 油井水泥失重和气 / 液窜 流模拟测试仪，天津中油渤星工程科技有限公司，北 京东方欧科建材技术有限公司。
G 级水泥，四川嘉华水泥厂； G60S 降失水剂（ 成 膜共聚 物 类） ，BXF-200L 降 失 水 剂 （ AMPS 共 聚 物 类） ，CF40S 分散剂（ 有机类） ，天津中油渤星工程科 技有限公司； 配浆用水为塘沽自来水。
图 4 水泥浆内部应力分布图
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油田化学
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( ) σ
=
σsAs A
+
1 － As A
uw
（ 2）
式中，右端第一项 σsAs / A 为全部竖向粒间作用力之 和除以横断面积 A，它代表全面积 A 上的平均竖直
向粒间应力，定义为有效应力，习惯用 σ' 表示。因
此，式（ 2） 可写为式（ 3） 。
静胶凝强度，单位常用剪应力的单位（ Pa） 。静胶凝 强度的定义［7］为： 在某一时刻，破坏一段胶凝流体
的胶凝结构所需的最小剪切应力。
对于有失水控制的水泥浆，当水泥浆注入井中
候凝时，要求得水泥浆孔隙压力的发展，可以通过水
泥浆上部的有效液柱压力与水泥浆本身的静胶凝强
度发展导致的压力损失之差来求得。水泥浆静胶凝
水泥浆就开始发展静胶凝强度。静胶凝强度是水泥 初始水化过程的副产物。研究表明［6］，静胶凝强度
发展的过程，就是水泥浆从一种真正能传递液柱压
力的液态流体向具有可测量抗压强度的固硬性材料
转变的过程，这种变化的阶段称为过渡期。在过渡
期水泥浆持续增加静胶凝强度。这时水泥浆基体具
有非牛顿流体的流变行为，并具备屈服值，也被称为
( ) σ = σ' +
1 － As A
uw
（ 3）
研究表明［9］，水泥浆水化初期的粒间接触面积 As 不 超过 0． 03A，故右端第二项中的 As / A 可忽略不计， 式（ 3） 简化为式（ 4） 。
σ = σ' + uw
（ 4）
在水泥浆失重初期，水泥浆可以视为液体，能有
效传递液柱压力，因此，失重测试结果和静胶凝强度
变化，测量对应温度下对应水泥浆柱的液柱压力变 化，进而较精确的求得整个环空液柱压力的变化。
根据形成的水泥浆静液柱压力评价实验方法， 建立了水泥 浆 窜 流 实 验 方 法［10］，并 以 此 为 基 础，制 定了油井水泥防气窜剂行业标准［11］。
4 结论
通过测试水泥浆失重或静胶凝强度发展的方 法，在一定范围内可以获得水泥浆静液柱压力的变 化，测量水泥浆静胶凝强度变化的方法比测量水泥 浆的失重更准确。
在固井过程中，环空候凝水泥浆静液柱压力会 降低，这是导致窜流发生的一个重要原因。导致水 泥浆静液 柱 压 力 下 降 的 原 因 很 多［1］，水 泥 浆 的 桥 堵、失水、以及水泥水化、体积收缩等都会导致水泥 浆在候凝期间失重。有效测量水泥浆的环空液柱压 力变化，对于建立水泥浆防窜实验方法，以及对水泥 浆的防窜性能进行室内评价等非常关键。测量水泥 浆静液柱压力的变化主要是通过测量水泥浆的失重 或者静胶凝强度的变化两个途径来实现，目前这两 种测量方 法 本 身 的 实 用 性 还 存 在 一 定 的 争 议［2-4］。 本文通过油井水泥失重和气 /液窜流模拟测试仪及 超声波水泥浆静胶凝强度分析仪，研究了几种基本 水泥浆的液柱压力变化。
测试结果一致。但是随着水泥浆水化的发展，浆体
进入过渡态，此时浆体已非液体。随着水化产物的
大量生成，粒间接触面积逐渐增大，此时 As / A 值已 不能忽略，特别是随着水化的进行该值越来越大，当
水泥浆终凝后该值逐渐发展到接近 1，此时再认为
有效应力和孔隙应力之和为总应力的观念就不正确
了。而失重仪的结果正是直接用总应力与孔隙应力
摘要： 有效评价水泥浆静液柱压力变化对于进行水泥浆防窜研究非常关键。通过规范失重和静胶凝强度实验方 法，提出了一种水泥浆静液柱压力变化评价实验方法。选G 级水泥 100 g + 水 44 g + G60S 降失水剂 1． 6 g + CF40S 分散剂 0． 3 g，②AMPS 共聚物水泥浆： 嘉 华 G 级水泥 100 g + 水 41 g + BXF-200L 降失水剂 3 g。用水泥浆失重仪测试时，2 种水泥浆的液柱压力均随候凝 时间的延长而降低； 用静胶凝强度分析仪测试时，2 种水泥浆的静胶凝强度均随候凝时间的延长而增大。将失 重仪测量值通过公式换算得到的静胶凝强度与静胶凝强度分析仪测量值比较，在水泥浆液态性较强的时候比较 接近，之后随着水泥浆候凝时间的延长，差距逐渐拉大。结合有效应力原理对两种实验结果的差别进行了解释。 用静胶凝强度分析仪测试水泥浆静液柱压力的方法更准确。研究结果表明，该方法重现性及可操作性良好，为 防窜方法方面的研究提供一定的理论基础。图 7 参 11 关键词： 固井； 水泥浆； 液柱压力； 静胶凝强度； 失重法 中图分类号： TE256 + ． 7 文献标识码： A
2． 2 静胶凝强度发展法测量水泥浆静液柱压力 变化
按 1． 2 节中的实验方法，用 5265 水泥浆静胶凝 强度分析仪对两个水泥浆配方进行了静胶凝强度发 展实验研究，结果见图 2。由图 2 （ a） 可知，随候凝 时间的延长，成膜共聚物水泥浆静胶凝强度的发展 可以分为两个阶段： ①平缓上升，②静胶凝强度约 36 Pa 时，快速上升。两次实验中静胶凝强度发展 的趋势基本一致，重现性较好。由图 2 （ b） 可知，随 候凝时间的延长，AMPS 共聚物水泥浆静胶凝强度 的发展也可分为两个阶段： ①静胶凝强度缓慢增至 36 Pa，但所需时间比成膜共聚物水泥浆的长，②静 胶凝强度陡增。两次实验中水泥浆静胶凝强度发展 的趋势基本一致，重现性较好。
第 29 卷第 3 期 2012 年 9 月 25 日
文章编号： 1000-4092（ 2012） 03-353-04