水泥浆胶凝强度与防窜能力间量化关系
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难点：实现不破坏连 续测量
解决办法：用薄刀片 从左至右一次性测量。
测量原理：通过测量刀片破 坏浆体结构时的阻力来测量 胶凝强度。
装置示意图
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（3）创新点
①测量方法上实现了不破坏连续测量。
测量及测量中的计算简单可靠。
可进行80摄氏度以下的加温测量。
窜流发生机理研究
3.1气体窜流实验现象
实验装置
（1）研制
目的：测量气侵阻 力曲线。 难点：实现不破坏 连续测量。 解决办法：用浆筒分 隔浆体，每个浆筒单 独测量。
2.5气侵阻力测量装置研制
装置示意图
实验装置
2.5气侵阻力实验装置研制 （2）创新点
改变窜流介质入口位置，真正测量浆体结 构被破坏时的气侵阻力。
可进行恒温测量（<80C） ，并实现不
图4-1.原浆和膨胀浆体失重对比实验
4.2对影响因素的实验研究 （4）胶凝强度自身的发展规律
三个阶段: 0--50Pa 50-150Pa 250--
与水泥浆水化反应的 阶段性特点是相符的
胶凝强度(Pa)
1200
配方10
1000
配方11
配方12
800
配方13Hale Waihona Puke Baidu
600
400
200
0
0
50
100
150
200
窜流发生机理研究
3.4窜流发生机理
注水泥过程中: Pp<Pe+Pr ;不窜
凝固 Pe
过程中
Pp - Pe
不窜
<Pr
Pr
Pp - Pe
窜流
>Pr
当且仅当 Pp - Pe >Pr 时;窜流才会发生
窜流发生机理研究
3.5窜流发生机理研究结 论
能够预测关系式的状态，就能预测窜流的发生与否； 防窜能力评价方法应该以窜流发生条件为基础；
随胶凝强度的增加，气体侵入方式的变化
对浆体结构的破坏、侵入为力学行为
窜流发生机理研究
3.2水窜流过程
破坏方式：与气体为 窜流介质时基本相同
渗流
作用机理：与气体为 窜流介质时稍有不同， 水的浸润作用明显。
浸润破坏示意图
窜流发生机理研究
浆柱有效压力(MPa)
气侵阻力（cm水柱）
3.3非膨胀浆体失重和气侵实验结果
装置示意图
实验装置
（1）研制
目的：测量浆柱有效 压力。 难点在于：真实地传 递出浆柱有效压力。 解决办法：用渗透率 高、弹性好的海棉做 隔离层。
2.4失重实验装置研制
装置示意图
实验装置
2.4失重实验装置研制 （2）创新点
①使传压介质与浆柱连通，测量到真实的有 效液柱压力；
②增加失重浆柱的长度，使用精密压力表， 提高了装置的测量精度； ③该装置可用于高温常压测量；（<80C）
注意：
水泥浆水化反应的不可逆性，在测量参数随 时间的变化时，要求实现不破坏连续测量
实验装置
2.2重新研制的实验装置
窜流实验装置； 胶凝失重测量装置； 气侵阻力测量装置； 胶凝强度测量装置；
实验装置
目的：研究窜流的 发生过程 难点：水泥浆易堵 塞窜流介质入口 解决办法：从底部 灌浆
2.3窜流实验装置研制
气侵阻力与胶凝强度之间成带截距的线形关系， 其原因在于胶凝强度越大 ，窜流介质破坏浆体结构 进入浆体的阻力越大。
4.2对影响因素的实验研究 （3）膨胀性能的防窜作用
实验结果分析：
膨胀性能有助于维 持井底有效压力，有 利于防窜。
浆柱有效有效压力(KPa)
50 原浆 膨胀浆体
40
30
20
10
0 0 50 100 150 200 250 300 350 时间（min）
水泥浆胶凝强度与防窜能力间 量化关系
绪论
1.3防窜研究的过程及成果
工艺 措施
水泥浆 性能
统
国计 外规
律
窜
国 内
流 机
理
GFP SRN GFP•SRN CCGM GFP/SRN
SWPI
Pp>Pe+Pr
绪论
1.4窜流还存在的原因
（1）固井作业所面临的工况越来越恶劣； （2）窜流的形成还有更深层、本质因素； （3）评价方法不能满足客观评价水泥浆针
破坏连续测量。
利用连通器原理改进测量部分，使测量精 度得到大幅度提高。
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（1）
过去的测量方法
旋转粘度计法 浮筒法 旋转法 金属片法
不足：不能或难以实 现不破坏连续测量
共同点：测量原理上 都把胶凝强度转化为 阻力进行测量
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（2）研制
目的：测量胶凝强度 曲线
防窜的途径，增加Pe +Pr。
影响窜流发生的深层因素
4.1对影响因素的理论分析
水泥浆静胶凝特性 延迟胶凝特性 触变性能 膨胀性能 体系稳定性 提高顶替效率因素
胶凝强 度发展
气侵 阻力
井底有效压力 注水泥设计 工艺措施
影响窜流发生的深层因素
4.2对影响因素的实验研究 （1）胶凝强度与失重的关系
实验结果
时间（min）
图4-8.胶凝强度发展曲线
4.3对影响因素研究的结论
深层因素
胶凝强度 Pe +Pr
膨胀性能
条件关系 式的状态
窜流发 生与否
防窜新方法
胶凝强度
水化收缩 取 代
4.2对影响因素的实验研究 （2）胶凝强度与气侵阻力的关系
实验结果
气侵阻力(cm水柱)
120
配方9
100
80
60
40
20
0 0
50
100
150
200
250
300
胶凝强度(Pa)
图4-6.胶凝强度与气侵阻力2
4.2对影响因素的实验研究 （2）胶凝强度与气侵阻力的关系
实验结果分析：
Pr ( 0 )
浆柱有效压力(MPa)
0.05 配方3
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
50
100
150
200
胶凝强度(Pa)
图4-2.胶凝强度与失重1?
4.2对影响因素的实验研究 （1）胶凝强度与失重的关系
实验结果分析：水泥浆失重机理
0Pa 胶凝 强度
水化 收缩
50Pa 胶凝悬 挂失重
50Pa 絮凝 结构
初凝前 结晶 结构
0.05
配方4
0.045
配方5
配方7
0.04
0.035
0.03
0.025 0
50
100
150
时间（min）
图3-3.水泥浆失重曲线（3个配方）
300 配方4
250 配方5 配方7
200 最大浆柱有效压力
150
100
50
0
0
50
100
150
200
时间（min）
图3-4.水泥浆气侵阻力实验结果
证实了窜流发生的条件关系式
对具体井况防窜能力的需要。
绪论
1.5论文目标及假设条件
目标：
找到窜流形成更深层次、本质的原因，找到
防止窜流发生的突破口。
建立能客观预测水泥浆防窜能力的评价方法。
假设条件： 顶替良好。 水泥浆体系稳定。
实验装置
2.1需要测量的参数及注意事项
参数： 胶凝强度；
水泥浆膨胀性能；
水泥浆失重及失重曲线；
气侵阻力。
解决办法：用薄刀片 从左至右一次性测量。
测量原理：通过测量刀片破 坏浆体结构时的阻力来测量 胶凝强度。
装置示意图
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（3）创新点
①测量方法上实现了不破坏连续测量。
测量及测量中的计算简单可靠。
可进行80摄氏度以下的加温测量。
窜流发生机理研究
3.1气体窜流实验现象
实验装置
（1）研制
目的：测量气侵阻 力曲线。 难点：实现不破坏 连续测量。 解决办法：用浆筒分 隔浆体，每个浆筒单 独测量。
2.5气侵阻力测量装置研制
装置示意图
实验装置
2.5气侵阻力实验装置研制 （2）创新点
改变窜流介质入口位置，真正测量浆体结 构被破坏时的气侵阻力。
可进行恒温测量（<80C） ，并实现不
图4-1.原浆和膨胀浆体失重对比实验
4.2对影响因素的实验研究 （4）胶凝强度自身的发展规律
三个阶段: 0--50Pa 50-150Pa 250--
与水泥浆水化反应的 阶段性特点是相符的
胶凝强度(Pa)
1200
配方10
1000
配方11
配方12
800
配方13Hale Waihona Puke Baidu
600
400
200
0
0
50
100
150
200
窜流发生机理研究
3.4窜流发生机理
注水泥过程中: Pp<Pe+Pr ;不窜
凝固 Pe
过程中
Pp - Pe
不窜
<Pr
Pr
Pp - Pe
窜流
>Pr
当且仅当 Pp - Pe >Pr 时;窜流才会发生
窜流发生机理研究
3.5窜流发生机理研究结 论
能够预测关系式的状态，就能预测窜流的发生与否； 防窜能力评价方法应该以窜流发生条件为基础；
随胶凝强度的增加，气体侵入方式的变化
对浆体结构的破坏、侵入为力学行为
窜流发生机理研究
3.2水窜流过程
破坏方式：与气体为 窜流介质时基本相同
渗流
作用机理：与气体为 窜流介质时稍有不同， 水的浸润作用明显。
浸润破坏示意图
窜流发生机理研究
浆柱有效压力(MPa)
气侵阻力（cm水柱）
3.3非膨胀浆体失重和气侵实验结果
装置示意图
实验装置
（1）研制
目的：测量浆柱有效 压力。 难点在于：真实地传 递出浆柱有效压力。 解决办法：用渗透率 高、弹性好的海棉做 隔离层。
2.4失重实验装置研制
装置示意图
实验装置
2.4失重实验装置研制 （2）创新点
①使传压介质与浆柱连通，测量到真实的有 效液柱压力；
②增加失重浆柱的长度，使用精密压力表， 提高了装置的测量精度； ③该装置可用于高温常压测量；（<80C）
注意：
水泥浆水化反应的不可逆性，在测量参数随 时间的变化时，要求实现不破坏连续测量
实验装置
2.2重新研制的实验装置
窜流实验装置； 胶凝失重测量装置； 气侵阻力测量装置； 胶凝强度测量装置；
实验装置
目的：研究窜流的 发生过程 难点：水泥浆易堵 塞窜流介质入口 解决办法：从底部 灌浆
2.3窜流实验装置研制
气侵阻力与胶凝强度之间成带截距的线形关系， 其原因在于胶凝强度越大 ，窜流介质破坏浆体结构 进入浆体的阻力越大。
4.2对影响因素的实验研究 （3）膨胀性能的防窜作用
实验结果分析：
膨胀性能有助于维 持井底有效压力，有 利于防窜。
浆柱有效有效压力(KPa)
50 原浆 膨胀浆体
40
30
20
10
0 0 50 100 150 200 250 300 350 时间（min）
水泥浆胶凝强度与防窜能力间 量化关系
绪论
1.3防窜研究的过程及成果
工艺 措施
水泥浆 性能
统
国计 外规
律
窜
国 内
流 机
理
GFP SRN GFP•SRN CCGM GFP/SRN
SWPI
Pp>Pe+Pr
绪论
1.4窜流还存在的原因
（1）固井作业所面临的工况越来越恶劣； （2）窜流的形成还有更深层、本质因素； （3）评价方法不能满足客观评价水泥浆针
破坏连续测量。
利用连通器原理改进测量部分，使测量精 度得到大幅度提高。
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（1）
过去的测量方法
旋转粘度计法 浮筒法 旋转法 金属片法
不足：不能或难以实 现不破坏连续测量
共同点：测量原理上 都把胶凝强度转化为 阻力进行测量
实验装置
2.6胶凝强度测量装置研制
（2）研制
目的：测量胶凝强度 曲线
防窜的途径，增加Pe +Pr。
影响窜流发生的深层因素
4.1对影响因素的理论分析
水泥浆静胶凝特性 延迟胶凝特性 触变性能 膨胀性能 体系稳定性 提高顶替效率因素
胶凝强 度发展
气侵 阻力
井底有效压力 注水泥设计 工艺措施
影响窜流发生的深层因素
4.2对影响因素的实验研究 （1）胶凝强度与失重的关系
实验结果
时间（min）
图4-8.胶凝强度发展曲线
4.3对影响因素研究的结论
深层因素
胶凝强度 Pe +Pr
膨胀性能
条件关系 式的状态
窜流发 生与否
防窜新方法
胶凝强度
水化收缩 取 代
4.2对影响因素的实验研究 （2）胶凝强度与气侵阻力的关系
实验结果
气侵阻力(cm水柱)
120
配方9
100
80
60
40
20
0 0
50
100
150
200
250
300
胶凝强度(Pa)
图4-6.胶凝强度与气侵阻力2
4.2对影响因素的实验研究 （2）胶凝强度与气侵阻力的关系
实验结果分析：
Pr ( 0 )
浆柱有效压力(MPa)
0.05 配方3
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
50
100
150
200
胶凝强度(Pa)
图4-2.胶凝强度与失重1?
4.2对影响因素的实验研究 （1）胶凝强度与失重的关系
实验结果分析：水泥浆失重机理
0Pa 胶凝 强度
水化 收缩
50Pa 胶凝悬 挂失重
50Pa 絮凝 结构
初凝前 结晶 结构
0.05
配方4
0.045
配方5
配方7
0.04
0.035
0.03
0.025 0
50
100
150
时间（min）
图3-3.水泥浆失重曲线（3个配方）
300 配方4
250 配方5 配方7
200 最大浆柱有效压力
150
100
50
0
0
50
100
150
200
时间（min）
图3-4.水泥浆气侵阻力实验结果
证实了窜流发生的条件关系式
对具体井况防窜能力的需要。
绪论
1.5论文目标及假设条件
目标：
找到窜流形成更深层次、本质的原因，找到
防止窜流发生的突破口。
建立能客观预测水泥浆防窜能力的评价方法。
假设条件： 顶替良好。 水泥浆体系稳定。
实验装置
2.1需要测量的参数及注意事项
参数： 胶凝强度；
水泥浆膨胀性能；
水泥浆失重及失重曲线；
气侵阻力。