ISO 10426-3:2003
(Main)Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing — Part 3: Testing of deepwater well cement formulations
Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing — Part 3: Testing of deepwater well cement formulations
ISO 10426-3:2003 provides procedures for testing well cements and cement blends for use in the petroleum and natural gas industries in a deepwater environment.
Industries du pétrole et du gaz naturel — Ciments et matériaux pour la cimentation des puits — Partie 3: Essais de formulations de ciment pour puits en eau profonde
L'ISO 10426:2003 fournit les modes opératoires d'essai de ciments et de mélanges à base de ciments à utiliser pour les puits en eau profonde.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 10426-3
First edition
2003-08-15
Petroleum and natural gas industries —
Cements and materials for well
cementing —
Part 3:
Testing of deepwater well cement
formulations
Industries du pétrole et du gaz naturel — Ciments et matériaux pour la
cimentation des puits —
Partie 3: Essais de formulations de ciment pour puits en eau profonde
Reference number
ISO 10426-3:2003(E)
©
ISO 2003
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ISO 10426-3:2003(E)
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ISO 10426-3:2003(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Sampling . 1
5 Preparation of slurry. 2
5.1 Preparation of conventional cement slurry. 2
5.2 Preparation of speciality cement slurries. 2
6 Strength tests for deepwater well cements. 2
6.1 General information . 2
6.2 Sampling methods . 2
6.3 Preparation of slurry. 2
6.4 Non-destructive sonic testing . 3
6.5 Destructive testing. 4
6.6 Strength determination. 6
7 Thickening-time tests for deepwater well cements. 7
7.1 General. 7
7.2 Sampling . 7
7.3 Preparation of slurry. 7
7.4 Apparatus. 7
7.5 Test procedures . 7
8 Static or stirred fluid-loss test . 8
8.1 Apparatus. 8
8.2 Sampling . 8
8.3 Preparation of slurry. 8
8.4 Conditioning procedures . 8
9 Deepwater well-simulation free fluid and slurry stability tests. 9
9.1 General. 9
9.2 Sampling . 9
9.3 Slurry preparation . 9
9.4 Test procedure . 9
10 Determination of rheological properties and gel strength using a rotational viscometer . 10
10.1 General. 10
10.2 Sampling . 10
10.3 Preparation of slurry. 10
10.4 Apparatus. 10
10.5 Procedure. 10
11 Compatibility of wellbore fluids. 11
11.1 General. 11
11.2 Preparation of test fluids. 11
11.3 Property determination. 11
Bibliography . 13
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ISO 10426-3:2003(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 10426-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 67, Materials, equipment and offshore structures
for petroleum, petrochemical and natural gas industries, Subcommittee SC 3, Drilling and completion fluids,
and well cements.
ISO 10426 consists of the following parts, under the general title Petroleum and natural gas industries —
Cements and materials for well cementing:
Part 1: Specification
Part 2: Testing of well cements
Part 3: Testing of deepwater well cement formulations
Part 4: Preparation and testing of foamed cement slurries at atmospheric pressure
The following part is under preparation:
Part 5: Determination of shrinkage and expansion of well cement formulations at atmospheric pressure
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ISO 10426-3:2003(E)
Introduction
The test methods contained in this part of ISO 10426, though generally based on ISO 10426-2, take into
account the specialized sampling/testing requirements and unique downhole temperature profiles found in
deepwater wells. ISO 10426-2 contains no applicable well simulation schedules for deepwater cementing
operations.
In a deepwater cementing environment, a number of factors impact the thermal history of the cement slurry.
These factors include: water depth, mud-line temperature, geothermal gradient, the presence or absence of a
drilling riser, drilling fluid temperature, ocean current velocity, presence of thermoclines (layers of ocean water
separated by temperature), ambient sea-surface temperature, cement mix-water temperature, bulk cement
temperature, cement mixing rate, cement heat of hydration, displacement rate, prior circulating and static
event history, drill pipe size and mass, casing size and mass, and hole size.
Given the number of variables impacting the thermal history of a cement formulation during placement and
curing, and the interdependence of many of those variables, the user is directed to employ numerical heat-
transfer simulation or actual field measurement to determine the test temperature and the
temperature/pressure schedule for the test methods contained in this part of ISO 10426. In this way, the
testing of the cement formulation can reflect as closely as possible the actual temperature profile found during
field cementing operations.
Numerical modelling may be used to determine the relative magnitude of the input variables so that “most
likely” and “less likely” scenarios of temperature history can be assessed. The values of some input variables
may not be known precisely and a range of possible values should be employed. Physical laboratory testing
can then be conducted at “most likely” conditions, with some additional testing at “less likely” conditions to
determine the sensitivity to well conditions. Sound engineering judgement can then be applied to assess the
risks.
These procedures serve not only for the testing of well cements under deepwater well conditions, but may
also be used in those circumstances where low seafloor temperatures are found at shallow water depths.
Well cements that can be used in deepwater well cementing can include those of ISO Classes A, C, G or H
[1]
(as given in ISO 10426-1 ), high-alumina cement, appropriate foamed cements, various types of ductile
cement compositions, etc. In each deepwater well cementing operation, the cement chosen needs to be fit for
purpose.
In this part of ISO 10426, where practical, United States customary (USC) units are included in parentheses
for information.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 10426-3:2003(E)
Petroleum and natural gas industries — Cements and materials
for well cementing —
Part 3:
Testing of deepwater well cement formulations
1 Scope
This part of ISO 10426 provides procedures for testing well cements and cement blends for use in the
petroleum and natural gas industries in a deepwater environment.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 10426-2:2003, Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well cementing —
Part 2: Testing of well cements
ASTM C 109, Standard test method for compressive strength of hydraulic cement mortars
3 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 10426, the terms and definitions given in ISO 10426-2 apply.
4 Sampling
Samples of the neat cement or cement blend, solid and liquid additives, and mixing water are required to test
a slurry in accordance with this part of ISO 10426. Accordingly, the best available sampling technology should
be employed to ensure the laboratory test conditions and materials match as closely as possible those found
at the well site. Additionally, the temperature of the mix water, cement or cement blends should be measured
with a thermocouple or thermometer capable of measuring temperature with an accuracy of ± 2 °C (± 3 °F).
These temperatures should be recorded. Temperature-measuring devices shall be calibrated (in the case of a
thermocouple) or checked (in the case of a thermometer) annually.
NOTE Some commonly used sampling devices and techniques can be found in ISO 10426-2.
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ISO 10426-3:2003(E)
5 Preparation of slurry
5.1 Preparation of conventional cement slurry
Prepare the test samples in accordance with Clause 5 of ISO 10426-2:2003. The laboratory temperature of
the cement sample, additives, and mix water should be within ± 2 °C (± 3 °F) of the respective temperature
anticipated at the well site. The temperature of the mixing container should approximate that of the mix water
being used in the slurry design. The mixing device shall be calibrated annually to a tolerance of ± 200 r/min at
4 000 r/min rotational speed and ± 500 r/min at 12 000 r/min rotational speed.
If larger slurry volumes are needed, an alternative method for slurry preparation can be found in Annex A of
ISO 10426-2:2003.
NOTE The density of the cement slurry can be determined by methods found in Clause 6 of ISO 10426-2:2003.
5.2 Preparation of speciality cement slurries
Cementing operations in deepwater environments may require the use of speciality cements, including foamed
cement or microsphere-containing cement formulations. The preparation and testing of these speciality cement
formulations should be undertaken using the best available methods or methods mutually agreed upon by the
service provider and the end user.
6 Strength tests for deepwater well cements
6.1 General information
The strength development of cement used in a deepwater cementation can be influenced by many factors,
including heat of hydration, casing/wellbore size, final slurry location (annulus or shoe track), and initial slurry
temperature. Given the number of variables contributing to the rate of strength development in a deepwater
well, the temperature and pressure schedule should be determined by means of numerical heat transfer
simulation or by field measurement from an offset well(s). In this way, the test schedule can reflect as closely
as possible the actual temperature and pressure profiles found after placement.
The preferred method for determining the strength of deepwater cement is by means of a non-destructive
sonic test method. Non-destructive sonic testing of a cement slurry may be conducted by methods provided in
Clause 8 of ISO 10426-2:2003. Speciality cement systems, as described in 5.2, may employ destructive
testing to determine compressive strength.
The energy produced by hydrating cement generates a considerable amount of heat. In a large annulus
typically found in the top-hole section of a deepwater well, it is expected that the hydration exotherm (thermal
mass effect) may raise the temperature within the annulus significantly. As such, a general guideline is to
conduct the strength test at a low curing temperature for only as long as the cement remains unset. Once
initial strength of 345 kPa (50 psi) is reached, the curing temperature may be raised to reflect the hydration
exotherm.
6.2 Sampling methods
The sampling methods for strength testing are provided in Clause 4.
6.3 Preparation of slurry
The slurry shall be prepared in accordance with Clause 5.
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ISO 10426-3:2003(E)
6.4 Non-destructive sonic testing
6.4.1 Apparatus for non-destructive testing
CAUTION — Care should be exercised to ensure that excess condensation caused by chilling the test
apparatus does not cause electrical or other damage, which may create safety hazards.
The apparatus transmits a sonic signal through the cement, which can be correlated to cement properties
such as the time and extent of strength development. In order to simulate conditions common to deepwater
cementing, the apparatus shall possess sufficient cooling capacity to perform strength testing at temperatures
anticipated in the wellbore.
Excessive free fluid can impair the accuracy of the non-destructive sonic test. Free fluid in a slurry can inhibit
contact with the top cell cover and affect the sonic signal being transmitted through the cement. Free fluid is
determined according to the method provided in Clause 9. The test initiation temperature of the slurry should
reflect as closely as possible the temperature conditions found during the field mixing operation.
6.4.1.1 Curing cell, in which the slurry temperature and pressure can be controlled according to the
appropriate schedule.
A pressure vessel suitable for curing samples at a test temperature anticipated on the well and capable of
maintaining pressure shall be used. As pressure is known to have an effect on strength development, the
pressure appropriate for the placement conditions should be used for testing. Do not exceed the pressure
limitations of the apparatus.
6.4.1.2 Temperature-measuring system, in accordance with 8.2.1 of ISO 10426-2:2003.
6.4.1.3 Sonic signal-measuring system, in accordance with 8.2.2 of ISO 10426-2:2003.
6.4.2 Procedure
Operate the apparatus according to the manufacturer's instructions. To better simulate the temperature profile
found in a deepwater well, ramp the curing cell temperature from surface mixing temperature to the desired
test temperature according to a specific schedule determined by thermal simulation. Alternatively, chill the
curing cell to the desired test temperature or below, before the slurry is placed into the curing cell. The slurry
may also be conditioned in accordance with 6.4.3 or 6.4.4.
The test period begins with the recording of sonic data and the application of pressure and continues until the
test is terminated. Begin recording the sonic data within 5 min after the application of pressure. The pressure
ramp should simulate the pressure conditions to which the cement shall be exposed during placement.
6.4.3 Conditioning of consistometer for atmospheric pressure testing
After the slurry has been prepared, place it into an atmospheric consistometer slurry container that has been
chilled to the desired test temperature. At user discretion, the temperature of the slurry container and/or the
cooling fluid within the atmospheric consistometer may be lower than the bottomhole test temperature in order
to promote a more rapid cool-down. Place the cup into a chilled atmospheric consistometer and condition for
20 min. After 20 min, verify the temperature, remove the paddle from the cup and stir the slurry briskly with a
spatula to ensure a uniform slurry. If the cement slurry has not reached the desired test temperature, continue
conditioning until the desired test temperature has been reached. It is permissible for the sample to be further
conditioned for a period of time to simulate placement of the slurry into the well. Note the actual time to reach
the desired test temperature and time of further conditioning.
6.4.4 Conditioning of pressurized consistometer
After the slurry has been prepared, place it into a pressurized consistometer slurry container that has been
chilled to the desired test temperature. At user discretion, the temperature of the slurry container and/or the oil
within the pressurized consistometer may be lower than the bottomhole test temperature in order to promote a
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ISO 10426-3:2003(E)
more rapid cool-down. Place the slurry container in the pressurized consistometer and ramp the sample to the
desired test temperature and pressure. Once the desired test temperature and pressure is reached, it is
permissible for the sample to be further conditioned for a period of time to simulate placement of the slurry in
the well. Before transferring the sample to the non-destructive apparatus, blot any oil that may have invaded
the pressurized consistometer slurry container during the conditioning period. Note the actual time to reach
the desired test temperature and pressure and time of further conditioning.
6.5 Destructive testing
6.5.1 Sampling methods
The methods provided in Clause 4 shall be used for obtaining samples for strength testing.
6.5.2 Preparation of slurry
The slurry shall be prepared in accordance with Clause 5.
6.5.3 Conditioning of consistometer for atmospheric pressure testing
After the slurry has been prepared, place it into a consistometer slurry container for atmospheric pressure
testing that has been chilled to the desired test temperature. At user discretion, the temperature of the slurry
container and/or the cooling fluid within the atmospheric pressure consistometer may be lower than the
bottomhole test temperature in order to promote a more rapid cool-down. Place the cup into a chilled
atmospheric pressure consistometer and condition for 20 min. After 20 min, verify the temperature, remove
the paddle from the cup and stir the slurry briskly with a spatula to ensure a uniform slurry. If the cement slurry
has not reached the desired test temperature, continue conditioning until the desired test temperature has
been reached. It is permissible for the sample to be further conditioned for a period of time to simulate
placement of the slurry into the well. Note the actual time to reach the desired test temperature and time of
further conditioning.
6.5.4 Conditioning of pressurized consistometer
After the slurry has been prepared, place it into a pressurized consistometer slurry container that has been
chilled to the desired test temperature. At user discretion, the temperature of the slurry container and/or the oil
within the pressurized consistometer may be lower than the bottomhole test temperature in order to promote a
more rapid cool-down. Place the slurry container in the pressurized consistometer and ramp the sample to the
desired test temperature and pressure. Once the desired test temperature and pressure is reached, it is
permissible for the sample to be further conditioned for a period of time that simulates placement of the slurry
into the well. Before placement of the sample into the cube moulds, blot any oil that may have invaded the
pressurized consistometer slurry container during the conditioning period. Note the actual time to reach the
desired test temperature and pressure and time of further conditioning.
6.5.5 Apparatus and reagents for destructive testing
6.5.5.1 Cube moulds, in agreement with the principles defined in 7.4.1 of ISO 10426-2:2003.
Moulds of other dimensions and geometries are permissible provided the dimensions or geometries are
reported.
NOTE Compressive strengths determined with one mould dimension or geometry may not correspond to those using
a different mould dimension or geometry.
6.5.5.2 Compressive strength-testing device, in accordance with 7.4.6 of ISO 10426-2:2003.
6.5.5.3 Base and cover plates, in accordance with 7.4.6 of ISO 10426-2:2003.
Base and cover plates for moulds with dimensions or geometries other than those defined in 7.4.6 of
ISO 10426-2:2003 shall follow the principles defined in 7.4.6 of ISO 10426-2:2003.
4 © ISO 2003 — All rights reserved
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ISO 10426-3:2003(E)
6.5.5.4 Puddling rod, in accordance with 7.4.6 of ISO 10426-2:2003.
6.5.5.5 Mould-sealing grease, in accordance with 7.4.7 of ISO 10426-2:2003.
6.5.5.6 Mould-release agent, in accordance with 7.4.8 of ISO 10426-2:2003.
6.5.5.7 Atmospheric pressure curing apparatus (bath), for curing cement samples (optional).
Because this test method does not simulate the actual downhole pressure conditions, the results obtained
from this method can vary from those of the ultrasonic or pressurized curing method. The apparatus (bath)
should be equipped with an agitator or circulating system. At temperatures above 0 °C (32 °F), water may be
used as the curing medium. The atmospheric pressure vessel (bath) shall be capable of cooling the samples
to the desired temperature and maintaining this temperature for the duration of the test. If glycol or mineral oil
serves as the cooling medium for curing at temperatures below 0 °C (32 °F), seal the test specimens in a
container of water to avoid contamination by the glycol or mineral oil. If the slurry contains freeze-depressants,
then the same type and concentration of freeze-depressant as used in the slurry may be added to the water.
Submerge the sealed container in an atmospheric pressure apparatus (bath) in such a way as to avoid
contamination of the water and specimens by the cooling medium. A thermocouple, range −18 °C to 104 °C
(0 °F to 220 °F) calibrated to an accuracy of ± 1 °C (± 2 °F) is preferred in a non-pressurized apparatus. A
thermometer, scale range −18 °C to 104 °C (0 °F to 220 °F) calibrated to an accuracy of ± 1 °C (± 2 °F) may
be used in a non-pressurized apparatus.
6.5.5.8 Pressurized curing apparatus, suitable for curing samples typically at a test temperature at or
above −7 °C (20 °F) and capable of maintaining a pressure of at least 20 700 kPa (3 000 psi).
The apparatus shall be capable of cooling the samples to the testing temperature and maintaining that
temperature for the duration of the test. If glycol or mineral oil serve as the cooling medium for curing at
temperatures below 0 °C (32 °F), seal the test specimens in a container of water to avoid contamination by
the glycol or mineral oil. If the slurry contains freeze depressants; add to the container of water the same type
and concentration of freeze depressant as used in the slurry. The thermocouple in the pressurized curing
apparatus shall have a range of −18 °C to 204 °C (0 °F to 400 °F) and be calibrated to an accuracy of ± 2 °C
(± 3 °F).
6.5.6 Procedure
6.5.6.1 Curing schedule
The temperature of the slurry should be cooled/heated on a schedule to simulate the conditions of curing.
6.5.6.2 Preparation of moulds
Coat the interior faces of the moulds and contact surfaces of the plates with a mould release agent. The
assembled moulds shall be watertight. The moulds may be pre-chilled before being filled with slurry to allow
for a more rapid cool-down of the slurry to the desired test temperature.
6.5.6.3 Placement
After preparation and conditioning, pour the cement slurry into the moulds to one-half of the mould depth.
Puddle each sample approximately 30 times with a puddling rod after all chambers have received slurry. Stir
the remaining slurry by hand. Completely fill each sample mould with slurry and puddle as before. After th
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 10426-3
Première édition
2003-08-15
Industries du pétrole et du gaz naturel —
Ciments et matériaux pour la cimentation
des puits —
Partie 3:
Essais de formulations de ciment pour
puits en eau profonde
Petroleum and natural gas industries — Cements and materials for well
cementing —
Part 3: Testing of deepwater well cement formulations
Numéro de référence
ISO 10426-3:2003(F)
©
ISO 2003
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ISO 10426-3:2003(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2003 — Tous droits réservés
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ISO 10426-3:2003(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions . 1
4 Échantillonnage . 1
5 Préparation du laitier . 2
5.1 Préparation du laitier de ciment classique. 2
5.2 Préparation de laitiers de ciment spéciaux. 2
6 Essais de résistance des ciments pour puits en eau profonde. 2
6.1 Informations générales. 2
6.2 Méthodes d’échantillonnage. 2
6.3 Préparation du laitier . 3
6.4 Essai sonique non destructif. 3
6.5 Essai destructif . 4
6.6 Détermination de la résistance. 6
7 Essais de temps de pompabilité des ciments pour puits en eau profonde. 7
7.1 Généralités. 7
7.2 Échantillonnage . 7
7.3 Préparation du laitier . 7
7.4 Appareillage. 7
7.5 Modes opératoires d'essais . 8
8 Essais statique ou avec agitation de perte de fluide . 9
8.1 Appareillage. 9
8.2 Échantillonnage . 9
8.3 Préparation du laitier . 9
8.4 Modes opératoires de conditionnement. 9
9 Essais de stabilité du laitier et de fluide libre pour puits en eau profonde . 10
9.1 Généralités. 10
9.2 Échantillonnage . 10
9.3 Préparation du laitier . 10
9.4 Procédure d’essai . 10
10 Détermination des propriétés rhéologiques et de la résistance de gel au moyen d'un
viscosimètre rotatif . 11
10.1 Généralités. 11
10.2 Échantillonnage . 11
10.3 Préparation du laitier . 11
10.4 Appareillage. 11
10.5 Mode opératoire . 11
11 Compatibilité des fluides en forage . 12
11.1 Généralités. 12
11.2 Préparation des fluides d’essai . 12
11.3 Détermination des propriétés . 12
Bibliographie . 14
© ISO 2003 — Tous droits réservés iii
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ISO 10426-3:2003(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 10426-3 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 67, Matériel, équipement et structures en mer
pour les industries pétrolière, pétrochimique et du gaz naturel, sous-comité SC 3, Fluides de forage et de
complétion, et ciments à puits.
L'ISO 10426 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Industries du pétrole et du gaz
naturel — Ciments et matériaux pour la cimentation des puits:
Partie 1: Spécifications
Partie 2: Essais de ciment pour puits
Partie 3: Essais de formulation de ciment pour puits en eau profonde
Partie 4: Préparation et essais en conditions ambiantes de laitier de ciment mousse
La partie suivante est en préparation:
Partie 5: Méthodes d’essais pour la détermination du retrait et de l'expansion à la pression
atmosphérique des formulations de ciments pour puits
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ISO 10426-3:2003(F)
Introduction
Bien qu'elles se fondent en général sur l'ISO 10426-2:2003, les méthodes d'essai de la présente partie de
l'ISO 10426 tiennent compte des exigences d'échantillonnage/d'essais spécialisés, ainsi que des profils de
température de fond particuliers aux puits en eau profonde. L'ISO 10426-2:2003:2003 ne comporte aucun
programme de simulation de puits applicable aux opérations de cimentation en eau profonde.
En situation de cimentation en eau profonde, un certain nombre de facteurs influent sur l’historique de
température du laitier de ciment. Ces facteurs comprennent: la profondeur d’eau, la température du fond
océanique, le gradient géothermique, la présence ou l'absence d'un tube prolongateur de forage (riser), la
température du fluide de forage, la vitesse des courants océaniques, la présence de thermoclines (couches
d'eau océanique séparées par leur température), la température ambiante à la surface de la mer, la
température de l'eau de gâchage de ciment, la température du ciment en vrac, le débit de gâchage du ciment,
la chaleur d'hydratation du ciment, la vitesse de déplacement, la circulation précédent la cimentation ainsi que
les périodes sans circulation, la taille et la masse des tiges de forage, la taille et la masse du tubage, ainsi que
la dimension du trou.
Étant donné le nombre de variables influant sur l’historique de température d’une formulation de ciment au
cours de sa placement et de son vieillissement, et compte tenu de la corrélation entre plusieurs de ces
variables, il est recommandé à l’utilisateur d’employer une simulation numérique de transfert de chaleur ou
des mesures sur site pour déterminer la température d’essai et le programme de température/pression
applicable aux méthodes d’essai de la présente partie de l’ISO 10426. Les essais de la formulation du ciment
peuvent ainsi reproduire le plus fidèlement possible le profil de température réellement rencontré au cours des
opérations de cimentation.
Afin de pouvoir évaluer les scénarios de variation de température les «plus probables» et les «moins
probables», il est admis d'utiliser une modélisation numérique pour déterminer l'importance relative des
variables d’entrée. Dans la mesure où les valeurs de certaines variables d’entrée ne peuvent pas être
connues avec précision, il convient d'utiliser une gamme de valeurs potentielles. Des essais physiques en
laboratoire peuvent ensuite être réalisés dans les conditions les «plus probables» et, avec des essais
complémentaires dans les conditions les «moins probables», il est possible de déterminer la sensibilité aux
conditions rencontrées dans un puits. De bons principes techniques peuvent ensuite être appliqués pour
évaluer les risques.
Ces modes opératoires ne servent pas uniquement aux essais de ciments pour puits en eau profonde, mais
peuvent également être utilisés lorsque des faibles températures sont rencontrées en fond océanique de
faible profondeur.
Les ciments pour puits qui peuvent être utilisés pour la cimentation en eau profonde peuvent comprendre
[1]
ceux des Classes ISO: A, C, G ou H (comme présenté dans l’ISO 10426-1 ), les ciments alumineux, des
ciments mousse appropriés, des types variés de composition de ciment ductile, etc. Pour chaque opération de
cimentation en eau profonde, il faut que le ciment choisi soit adapté à l’application.
Dans la présente partie de l’ISO 10426, les unités couramment utilisées aux États-Unis (USC) sont, dans la
mesure du possible, indiquées entre parenthèses pour information.
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NORME INTERNATIONALE ISO 10426-3:2003(F)
Industries du pétrole et du gaz naturel — Ciments et matériaux
pour la cimentation des puits —
Partie 3:
Essais de formulations de ciment pour puits en eau profonde
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 10426 fournit les modes opératoires d'essai de ciments et de mélanges à base de
ciments à utiliser pour les puits en eau profonde.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 10426-2:2003, Industries du pétrole et du gaz naturel — Ciments et matériaux pour la cimentation des
puits — Partie 2: Essais de ciment pour puits
ASTM C 109, Standard test method for compressive strength of hydraulic cement mortars
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l'ISO 10426, les termes et définitions donnés dans l'ISO 10426-2
s'appliquent.
4 Échantillonnage
Des échantillons de ciment pur ou de mélange de ciment, d'additifs solides et liquides, et d'eau de gâchage
sont nécessaires pour soumettre à essai un laitier de ciment conformément à la présente partie de
l'ISO 10426. Il convient d'utiliser la meilleure technologie disponible d'échantillonnage pour s'assurer que les
conditions d'essai et que les matériaux utilisés en laboratoire sont aussi proches que possible de ceux
rencontrés sur le site de forage. De plus, il convient de mesurer la température de l'eau de gâchage, du
ciment ou des mélanges de ciment avec un thermocouple ou un thermomètre capable de mesurer la
température avec une exactitude de ± 2 °C (± 3 °F). Il convient de consigner ces températures. Les
instruments de mesure de température doivent être étalonnés (s'il s'agit d'un thermocouple) ou vérifiés (s'il
s'agit d'un thermomètre) une fois par an.
NOTE Certains dispositifs et techniques d'échantillonnage couramment utilisés sont présentés dans l'ISO 10426-2.
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5 Préparation du laitier
5.1 Préparation du laitier de ciment classique
Préparer les échantillons d'essai conformément à l'Article 5 de l'ISO 10426-2:2003. Il convient que la
température en laboratoire de l'échantillon de ciment, des additifs et de l'eau de gâchage soient à ± 2 °C
(± 3 °F) égale à leur température respective prévue sur le site de forage. Il convient que la température du bol
de mélange soit proche de celle de l'eau de gâchage utilisée pour la conception du laitier. Le mélangeur doit
être étalonné annuellement avec une tolérance de ± 200 r/min à la vitesse de rotation de 4 000 r/min et de
± 500 r/min à 12 000 r/min.
Si des volumes de laitier plus importants sont nécessaires, une autre méthode de préparation du laitier est
donnée dans l'Annexe A de l'ISO 10426-2:2003.
NOTE La masse volumique du laitier de ciment peut être déterminée par les méthodes données à l’Article 6 de
l'ISO 10426-2:2003.
5.2 Préparation de laitiers de ciment spéciaux
Les opérations de cimentation en eau profonde peuvent nécessiter l'utilisation de ciments spéciaux tels que des
formulations de ciment mousse ou de ciment avec microsphères. Il convient de préparer et de soumettre à essai
ces formulations de ciments spéciaux en utilisant les meilleures méthodes disponibles ou des méthodes
convenues avec le prestataire de service et l'utilisateur final.
6 Essais de résistance des ciments pour puits en eau profonde
6.1 Informations générales
Le développement de la résistance du ciment utilisé pour la cimentation en eau profonde peut dépendre de
nombreux facteurs, incluant la chaleur d'hydratation, la taille du tubage et du trou foré, le positionnement final
du laitier (annulaire ou plein tube au sabot) et la température initiale du laitier. Étant donné le nombre de
variables qui concourent à la vitesse de développement de la résistance dans un puits en eau profonde, il
convient de déterminer le programme de variation de température et de pression au moyen d'une simulation
numérique de transfert de chaleur ou par mesures sur site à partir d’un puits de référence. Le programme
d'essai peut ainsi reproduire le plus fidèlement possible les profils de température et de pression réellement
observés lors de la placement.
La méthode préférentielle de détermination de la résistance du ciment pour eau profonde consiste à réaliser
un essai sonique non destructif. Les essais soniques non destructifs sur laitier de ciment peuvent être réalisés
en utilisant les méthodes données à l’Article 8 de l'ISO 10426-2:2003. Les ciments spéciaux, tels que décrits
en 5.2, peuvent faire l’objet d’essais destructifs pour déterminer la résistance à la compression.
L’énergie produite par l'hydratation du ciment génère une quantité importante de chaleur. Dans un espace
annulaire large généralement situé dans la partie supérieure d’un puits en eau profonde, on peut prévoir que
l’hydratation exothermique du ciment (effet de masse thermique) peut augmenter de façon significative la
température dans l’espace annulaire. À cet effet, il existe une ligne directrice d’ordre général, applicable tant
que le ciment n’a pas pris, pour réaliser l’essai de résistance à basse température de vieillissement.
Lorsqu’une résistance initiale de 345 kPa (50 psi) est obtenue, la température de vieillissement peut être
augmentée pour refléter le réchauffement dû à l’hydratation du ciment.
6.2 Méthodes d’échantillonnage
Les méthodes d’échantillonnage des essais de résistance sont données à l’Article 4.
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6.3 Préparation du laitier
Le laitier doit être préparé conformément à l’Article 5.
6.4 Essai sonique non destructif
6.4.1 Appareillage pour essai non destructif
AVERTISSEMENT — Il convient de veiller à la sécurité et de s’assurer qu’un excès de condensation
provoqué par le refroidissement de l’appareillage d’essai n’entraîne pas d’incidents électriques ou
autres, ce qui est susceptible d’engendrer des risques.
L'appareillage transmet un signal ultrasonique à travers le ciment qui peut être corrélé aux propriétés du
ciment, telles que prise et valeur du développement de la résistance. Afin de simuler les conditions
communes aux cimentations en eau profonde, l’appareillage doit disposer d’une capacité de refroidissement
suffisante pour réaliser des essais de résistance aux températures prévues dans le forage.
Un excès de fluide libre peut altérer la précision de l’essai sonique non destructif. Le fluide libre d’un laitier
peut empêcher le ciment d’être en contact direct avec le transmetteur situé dans la plaque de couverture
supérieure de la cellule et affecter le signal ultrasonique émis à travers le ciment. Le fluide libre est déterminé
conformément à la méthode donnée à l’Article 9. Il convient que la température du laitier au début de l’essai
reproduise le plus fidèlement possible les conditions de température rencontrées sur site lors de l’opération de
gâchage.
6.4.1.1 Cellule de vieillissement, dans laquelle la température et la pression du laitier peuvent être
contrôlées conformément au programme approprié.
Un récipient sous pression approprié pour le vieillissement des échantillons, à une température d'essai prévue
dans le puits et pouvant maintenir la pression, doit être utilisé. Dans la mesure où la pression est réputée
avoir un effet sur le développement de la résistance, il convient d’utiliser pour les essais la pression
appropriée aux conditions de placement. Ne pas dépasser la limite de pression de l’appareillage.
6.4.1.2 Système de mesure de la température, conforme à 8.2.1 de l’ISO 10426-2:2003.
6.4.1.3 Système de mesure du signal ultrasonique, conforme à 8.2.2 de l’ISO 10426-2:2003.
6.4.2 Mode opératoire
L’appareillage doit être utilisé conformément aux instructions du fabricant. Afin de mieux simuler le profil de
température d’un puits en eau profonde, faire varier la température de la cellule de vieillissement à partir de la
température de gâchage en surface jusqu’à la température d’essai sélectionnée selon une programmation
spécifique déterminée par une simulation de thermique. La cellule de vieillissement peut également être
refroidie à une température égale ou inférieure à la température d’essai sélectionnée avant de placer le laitier
dans la cellule de vieillissement. Il est admis de conditionner le laitier conformément à 6.4.3 ou 6.4.4.
La période d’essai commence avec l’enregistrement des données soniques et l’application de la pression, elle
se poursuit jusqu’à achèvement de l’essai. Commencer l’enregistrement des données ultrasoniques dans les
5 min qui suivent l’application de la pression. Il convient que le gradient d’application de la pression simule les
conditions de pression auxquelles le ciment doit être exposé au cours de son placement.
6.4.3 Conditionnement avec un consistomètre pour essai sous pression atmosphérique
Une fois le laitier préparé, le placer dans la cellule du consistomètre atmosphérique refroidie à la température
d’essai sélectionnée. À la discrétion de l’utilisateur, la température de la cellule et/ou du fluide dans le
consistomètre atmosphérique peut être inférieure à la température d’essai de fond pour assurer un
refroidissement plus rapide. Placer la cellule dans le consistomètre atmosphérique refroidi et conditionner le
laitier pendant 20 min. Après 20 min, vérifier la température, retirer la palette et mélanger vivement le laitier
avec une spatule pour l'homogénéiser. Si le laitier de ciment n’a pas été refroidi à la température d’essai
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sélectionnée, poursuivre le conditionnement jusqu’à obtention de la température d’essai sélectionnée. Pour
simuler le placement du laitier dans le puits, il est permis de faire subir à l’échantillon un conditionnement
complémentaire durant un certain laps de temps. Le temps réel nécessaire pour atteindre la température
d'essai sélectionnée et la durée de conditionnement complémentaire doivent être consignés.
6.4.4 Conditionnement avec un consistomètre pressurisé
Une fois le laitier préparé, le placer dans la cellule du consistomètre pressurisé refroidie à la température
d’essai sélectionnée. À la discrétion de l’utilisateur, la température de la cellule et/ou de l’huile dans le
consistomètre pressurisé peut être inférieure à la température d’essai de fond pour assurer un refroidissement
plus rapide. Placer la cellule dans le consistomètre et amener l’échantillon à la température et à la pression
d’essai sélectionnées. Lorsque la température et la pression d’essai sélectionnées sont atteintes, pour simuler
le placement du laitier dans le puits, il est permis de faire subir à l’échantillon un conditionnement
complémentaire durant un certain laps de temps. Avant de transvaser l’échantillon dans l’appareillage d’essai
non destructif, tamponner toute huile qui aurait pu envahir, durant la période de conditionnement, la cellule du
consistomètre pressurisé. Le temps réel nécessaire pour atteindre la température et la pression d’essai
sélectionnées ainsi que la durée de conditionnement complémentaire doivent être consignés.
6.5 Essai destructif
6.5.1 Méthodes d'échantillonnage
Les méthodes d’échantillonnage des essais de résistance sont données à l’Article 4.
6.5.2 Préparation du laitier
Le laitier doit être préparé conformément à l’Article 5.
6.5.3 Conditionnement avec un consistomètre pour essais sous pression atmosphérique
Une fois le laitier préparé, le placer dans la cellule du consistomètre atmosphérique refroidie à la température
d’essai sélectionnée. À la discrétion de l’utilisateur, la température de la cellule et/ou du fluide dans le
consistomètre atmosphérique peut être inférieure à la température d’essai de fond pour assurer un
refroidissement plus rapide. Placer la cellule dans le consistomètre atmosphérique refroidi et conditionner le
laitier pendant 20 min. Après 20 min, vérifier la température, retirer la palette et mélanger vivement le laitier
avec une spatule pour l'homogénéiser. Si le laitier de ciment n’a pas été refroidi à la température d’essai
sélectionnée, poursuivre le conditionnement jusqu’à obtention de la température d’essai sélectionnée. Pour
simuler le placement du laitier dans le puits, il est permis de faire subir à l’échantillon un conditionnement
complémentaire durant un certain laps de temps. Le temps réel nécessaire pour atteindre la température
d'essai sélectionnée et la durée de conditionnement complémentaire doivent être consignés.
6.5.4 Conditionnement avec un consistomètre pressurisé
Une fois le laitier préparé, le placer dans la cellule du consistomètre pressurisé refroidie à la température
d’essai sélectionnée. À la discrétion de l’utilisateur, la température de la cellule et/ou de l’huile dans le
consistomètre pressurisé peut être inférieure à la température d’essai de fond pour assurer un refroidissement
plus rapide. Placer la cellule (avec sa palette) dans le consistomètre et amener l’échantillon à la température
et à la pression d’essai sélectionnées. Lorsque la température et la pression d’essai sélectionnées sont
atteintes, pour simuler le placement du laitier dans le puits, il est permis de faire subir à l’échantillon un
conditionnement complémentaire durant un certain laps de temps. Avant de transvaser l’échantillon dans
l’appareillage d’essai non destructif, tamponner toute huile qui aurait pu envahir, durant la période de
conditionnement, la cellule du consistomètre pressurisé. Le temps réel nécessaire pour atteindre la
température et la pression d’essai sélectionnées ainsi que la durée de conditionnement complémentaire
doivent être consignés.
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ISO 10426-3:2003(F)
6.5.5 Appareillage et matériel pour essai destructif
6.5.5.1 Moules cubiques, conformes aux principes définis en 7.4.1 de l’ISO 10426-2:2003.
Il est admis d’utiliser des moules différents sous réserve de consigner leurs dimensions et géométries.
NOTE Les résistances à la compression déterminées avec une dimension ou géométrie de moule donnée peuvent
être différentes de celles obtenues avec une dimension ou une géométrie différente.
6.5.5.2 Appareillage d'essai pour la résistance à la compression, conforme à 7.4.6 de
l’ISO 10426-2:2003.
6.5.5.3 Plaques de base et de couverture, conformes à 7.4.6 de l’ISO 10426-2:2003.
Les plaques de base et de couverture des moules de dimensions ou de géométries autres que celles définies
en 7.4.6 de
...
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