國內(nèi)外固井技術發(fā)展歷程與研究方向

齊奉忠 馮宇思 韓 琴

中國石油集團工程技術研究院有限公司

固井是較獨立的系統(tǒng)工程，具有作業(yè)時間短、工序多、技術性強，以及隱蔽性、一次性、風險大等特點。固井質(zhì)量關系到油氣田的合理開發(fā)、后續(xù)井下作業(yè)的順利進行，是油氣井的“百年大計”[1]。固井的主要目的是保護和支撐油氣井內(nèi)的套管，封隔油、氣和水層，所要解決的中心問題是如何提高井壁與套管間水泥環(huán)的密封質(zhì)量。固井技術為多學科研究應用，涉及地質(zhì)、石油、機械、化學、流體力學和電子等。水泥漿固井最早使用于1903年，目的是封堵油層上部的水層；1910年，A.A.Perkins在加利福尼亞油田使用雙膠塞固井，發(fā)展完善了這項技術。經(jīng)過100多年的研究與應用，固井技術在固井工藝、水泥及外加劑、固井工具及附件、固井裝備等方面均取得較快發(fā)展，形成了適應不同地質(zhì)與鉆井條件的配套技術，基本滿足了不同條件下的固井需求。隨著勘探開發(fā)的深入和鉆井技術的發(fā)展，深井超深井和特殊井的持續(xù)增加，固井技術也在不斷完善和發(fā)展。

1 國外固井技術發(fā)展歷程

現(xiàn)代固井技術起源于1919年，這一年哈里伯頓（Halliburton）在美國俄克拉何馬州成立了新方法油井固井公司（New Method Oil Well Cementing Co.）?，F(xiàn)代固井技術的標志是固井作業(yè)獨立于鉆井泵的泵注系統(tǒng)；發(fā)展路徑是借鑒建筑行業(yè)，研制固井外加劑體系及固井設備、儀器儀表，制定實施API標準。國外固井技術發(fā)展經(jīng)歷了4個階段。

1.1 概念化階段（1908—1938年）

該階段固井從埋管到注水泥形成了獨立的工藝與技術；由單膠塞發(fā)展到雙膠塞頂替，從使用專用管材、專用水泥，到進行固井質(zhì)量檢測與水泥漿室內(nèi)實驗，發(fā)展形成了套管注水泥工藝。

1.2 發(fā)展階段（1939—1970年）

該階段從常規(guī)套管注水泥發(fā)展形成了多種注水泥工藝方法（如分級固井、尾管固井、內(nèi)插法固井、擠水泥、打水泥塞等）；管材及固井工具配套化（如不同鋼級及壁厚的套管，研制了系列固井工具及附件，如浮箍、扶正器、膠塞等）；水泥漿體系及隔離液材料系列化（開發(fā)了不同系列固井水泥和配套外加劑，開發(fā)了適應不同井況、提高頂替效率的前置液等材料）；對固井機理進行了初步探索（主要指固井過程中的頂替機理）。

1.3 科學化階段（1971—2012年）

該階段主要是在先進的固井設備、工具、工藝和特殊的材料技術方面取得顯著進步。經(jīng)過長期研究和技術積累，實現(xiàn)了固井工藝定型、工具及材料條例化、設備專門化、技術理論化、設計科學化。（1）頂替機理研究方面，開發(fā)了系列沖洗液和隔離液及Opticem軟件，實現(xiàn)了動態(tài)模擬固井施工過程；（2）在防竄機理研究方面，通過對油、氣、水防竄機理的研究，開發(fā)了系列防竄外加劑和防竄水泥漿體系，研制了配套防竄工具和防竄評價儀器；（3）水泥環(huán)密封機理研究方面，從水泥漿體系、水泥石性能要求、固井施工等方面提出了全面的技術措施，如提供Welllife服務，確保環(huán)空密封及預測水泥環(huán)密封失效；（4）材料技術研究方面，主要開發(fā)了專用水泥、系列外加劑及提高鉆井液頂替效率、保證水泥漿綜合性能的材料；（5）設計與評價技術方面，主要是應用計算機進行仿真設計、精密機電一體化、實驗分析儀器、測井評價方法及儀器技術的研究。

1.4 自動化、智能化、信息化發(fā)展階段（2012年 以后）

該階段主要技術進展包括：3D固井施工模擬技術，能夠清晰模擬井下情況，對提高頂替效率提供技術指導；iCem施工預測分析模擬軟件，可模擬水泥返高、頂替效率等；eRedBook移動APP；哈里伯頓公司推出新一代深水固井系統(tǒng)“優(yōu)勢一號”（HCS Advantage One），該系統(tǒng)軟硬件結合，能夠同時監(jiān)測、控制約300個技術參數(shù)，作業(yè)數(shù)據(jù)可送達世界各地（圖1）；全生命周期固井成套技術、精細化及一體化固井技術研究，向智能化、信息化及大數(shù)據(jù)應用等方向逐步邁進。

圖1 哈里伯頓新一代深水固井系統(tǒng)HCS AdvantageOne

2 國內(nèi)固井技術發(fā)展歷程

隨著我國石油工業(yè)的不斷發(fā)展，勘探開發(fā)水平不斷提高，固井技術的發(fā)展基本與鉆井技術同步，目前已形成一支裝備精良、業(yè)務熟練、技術先進的技術研究與服務隊伍，市場規(guī)?？焖侔l(fā)展，技術水平持續(xù)提升，部分技術實現(xiàn)由跟跑、并跑直至實現(xiàn)領跑，為石油天然氣經(jīng)濟安全高效勘探開發(fā)提供了堅強的工程技術保障，但總體技術較國際高端尚有差距。國內(nèi)固井技術發(fā)展也經(jīng)歷了4個階段。

2.1 學習模仿階段（1950—1980年）

國內(nèi)油氣井固井技術的研究開始于20世紀50年代，最早應用于玉門、克拉瑪依、大慶和勝利等油田。早期沒有專門的固井公司，50年代末才相繼成立了固井專業(yè)隊伍（固井大隊）。當時尚處于石油工業(yè)發(fā)展初期，固井技術基本是在參考蘇聯(lián)的技術模式下探索發(fā)展。

2.2 自主研發(fā)階段（1981—2000年）

該階段固井技術和裝備取得了長足發(fā)展，固井裝

備及工具研制方面，主要研制了氣動灰罐車、固井管匯車、供水車、中功率及大功率水泥車及各種固井新工具[2]；固井技術方面，主要在提高頂替效率方法、新固井工藝、水泥漿體系、固井外加劑開發(fā)等方面開展了大量研究工作。通過技術攻關及產(chǎn)業(yè)化應用，解決了油田固井多項技術難題，技術成果在油田現(xiàn)場中廣泛應用，為油氣勘探開發(fā)及增儲上產(chǎn)提供支持。

2.3 技術突破階段（2001—2015年）

該階段固井主要在工藝、裝備、水泥漿體系、固井外加劑、工具附件、軟件等方面取得進展，針對復雜井形成了配套技術。新技術不但能解決漏失井、高壓油氣井、長封固段井、大位移井、水平井、小間隙井、鹽膏層井等復雜井的固井問題，也在滿足油氣勘探開發(fā)要求、實現(xiàn)油氣層保護和增產(chǎn)增效中發(fā)揮了更大的作用。裝備技術方面，從最初的噴射混合技術發(fā)展到全自動混漿技術，從最初的機械式設備發(fā)展到電控化、智能化設備。

2.4 創(chuàng)新發(fā)展階段（2015年以后）

近年來我國在深井超深井、水平井及大位移井、大溫差長封固段一次上返固井、儲氣庫及頁巖氣固井方面獲得突破；開發(fā)了大溫差、抗高溫及韌性膨脹水泥，外加劑抗溫達200℃[3]，產(chǎn)品全部實現(xiàn)國產(chǎn)化；常規(guī)固井完井工具成熟，目前正研制204℃/105MPa固井系列工具。我國固井裝備的研制從初期的仿制到關鍵技術引進、自主創(chuàng)新開發(fā)，發(fā)展到今天，部分設備已達到國際先進水平。

3 國外固井技術發(fā)展新趨勢

2010年，墨西哥灣BP公司海上鉆井平臺發(fā)生了井噴著火爆炸事故。事故發(fā)生在固井后替海水作業(yè)中，固井失敗是直接原因。該事件引發(fā)了國際上對固井作業(yè)的特殊性、重要性日益重視[4]。目前固井技術發(fā)展趨勢：總體上向技術配套、系列化、個性化、一體化的方向發(fā)展；從注重水泥漿體系、外加劑研究向關注水泥石性能的方向發(fā)展（表1）；固井質(zhì)量向保證長期封隔質(zhì)量及井筒密封的方向發(fā)展；固井管理及施工向加強過程控制、管理精細化的方向發(fā)展。

3.1 日益重視井筒密封完整性

井筒密封完整性是保障油氣井長期安全運行的關鍵。一次成功的固井作業(yè)不僅需要頂替到位、膠結良好，還要求水泥漿固化后，水泥環(huán)具有在井眼整個生命周期中維持層間封隔的能力，已從井眼的生命周期上來認識和要求固井工程[5]。為保證水泥環(huán)的密封完整性，國際上開發(fā)應力分析軟件，研制柔性水泥，并結合提高頂替效率等措施保證環(huán)空水泥環(huán)的長期密封。

表1 過去和現(xiàn)在國外對水泥性能關注的變化對比

3.2 長壽命固井成為追求目標

一些公司提出了“長效同井”的理念，即實現(xiàn)全井生命周期內(nèi)的有效封隔，為油氣井長期安全生產(chǎn)提供技術保障。長壽命固井成為甲乙雙方共同追求的目標。美國貝克休斯公司的長效固井體系理念主要包括4個方面：（1）實現(xiàn)全井生命周期內(nèi)的有效封隔；（2）必須結合良好的設計和施工；（3）必須根據(jù)不同井況進行設計；（4）水泥漿體系的性能具有可調(diào)節(jié)性，如柔韌性、抗腐蝕性、防氣竄性等，能滿足復雜井況下安全固井及密封要求。

3.3 “一體化”固井理念被認可

斯倫貝謝公司推廣“一體化”固井服務，采用固井優(yōu)化軟件進行固井設計，以提高設計的針對性；開發(fā)系列配套的水泥漿體系，以滿足不同井況下的固井要求；固井管理實現(xiàn)從粗放化向精細化流程管理的理念轉變，注重細節(jié)，加強過程管理。

4 我國固井技術存在的問題與差距

4.1 目前存在的問題

國內(nèi)油氣資源集中于“深、低、非、老”領域，井深更深（跨越8000m）、水平段更長（邁向3000m），地質(zhì)條件日益苛刻、工程技術難度日益加劇，給固井工程帶來更大的技術挑戰(zhàn)。目前我國固井技術主要存在的問題包括：深井超深井固井技術仍需進一步完善；高溫超高溫固井技術水泥漿、隔離液抗溫性及敏感性需進一步提高；采用大型體積壓裂方式開發(fā)非常規(guī)油氣井水泥環(huán)長期密封性需要提高；壓力系統(tǒng)復雜老油田調(diào)整井及天然氣井固井層間有效封隔能力有待提高；疑難井、多種復雜并存井固井“有辦法，無把握”；火燒油層、蒸汽驅超高溫條件下稠油熱采井、油頁巖等固井水泥石抗溫不足；地熱井、干熱巖、水合物固井剛起步。

4.2 與國外相比存在的差距

我國固井技與國外相比，差距主要反映在以下7個方面：

一是固井裝備。固井裝備正朝著自動化、智能化、大功率、寬密度控制及形式多樣化的方向發(fā)展。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前國內(nèi)固井裝備正在全面替代國外產(chǎn)品，并且每年有數(shù)十臺裝備出口。但與國外固井裝備相比，國內(nèi)的固井裝備的自動化、智能化、信息化程度不夠。

全球海上油氣開發(fā)重點逐步由淺海走向深水。深水地區(qū)的鉆采作業(yè)對作業(yè)裝備提出了更高標準和要求。目前全球深水固井裝備市場幾乎被哈里伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯-BJ三大油田服務公司所壟斷，這3家公司在深水固井作業(yè)方面，擁有世界頂尖水平的固井技術和固井裝備。

中石化石油機械股份有限公司與中海油田服務股份有限公司共同合作開發(fā)的我國首臺大功率電驅海洋固井裝備成功通過工廠模擬固井測試。

二是固井外加劑及水泥漿體系。該領域我國在現(xiàn)場實際應用、個性化設計方面具有技術優(yōu)勢。目前研究朝著廣譜化、細致化、密度范圍更寬、適應溫度更高、應用領域更廣的方向發(fā)展。在這些發(fā)展領域以及油井水泥、減輕材料、加重材料等基礎材料上，我們與國外差距較大[6]。

三是固井工具及附件。與國外固井工具相比（204℃/105MPa固井已成熟，正研制260℃/175MPa），國內(nèi)常規(guī)固井工具及附件的個性化、系列化程度不夠，特殊固井工具與國外差距較大，適應深井超深井的固井工具的可靠性還需要提高。

四是固井實驗儀器。目前國內(nèi)高溫高壓深井超深井固井試驗用儀器主要依靠國外進口，國產(chǎn)儀器的抗溫及耐高壓性能尚不能滿足試驗要求。

五是全生命周期固井研究。國外全生命周期固井研究與應用已有十多年歷史，開發(fā)了預測軟件、系列水泥漿體系、一體化固井技術及精細化固井管理施工流程，國內(nèi)正對此深入研究，目前尚處于定性化階段。

六是固井自動化、智能化、信息化。國外在固井自動化、智能化、信息化技術方面已形成了系列的軟件、固井裝備及配套的技術，國內(nèi)目前僅初具雛形，存在較大差距。

七是海洋固井技術。國外海洋固井擁有成熟的裝備、技術和水泥漿體系，如哈里伯頓的FlowStop技術、斯倫貝謝的DeepCRETE技術、貝克休斯的DeepSet和DeepLite技術。中國海油進行了系統(tǒng)研究，并成功在2437m的南海深水成功進行了固井施工。

5 我國固井技術發(fā)展建議

據(jù)預測，到2035年中國將占世界能源消費總量的26%，占全球凈增長量的35%。到2035年，油氣占我國一次能源消費結構的比例為32%。國內(nèi)目前努力實現(xiàn)增儲上產(chǎn)，大力推進天然氣跨越式發(fā)展，力爭在2035年前將石油、天然氣對外依存度分別控制在70%和50%以下[7]。

未來5～10年，甚至更長一段時間內(nèi)，國內(nèi)勘探開發(fā)的主要資源領域依然為“深（深層）、低（低滲透）、非（非常規(guī)）、老（老油田）”，油氣勘探開發(fā)面對資源品質(zhì)劣質(zhì)化、油氣目標復雜化、安全環(huán)保嚴格化等嚴峻挑戰(zhàn)。固井技術需進一步提升技術創(chuàng)新力及核心競爭力，在復雜深井固井、低滲透與非常規(guī)油氣資源固井、老油田固井等方面開展深入持續(xù)的研究工作[8]。

（1）針對深井固井領域，需要開展以下研究工作：①大體量注替作業(yè)裝備；②自動化、智能化、信息化固井作業(yè)裝備；③耐高溫高壓高可靠性尾管懸掛器等固井工具；④抗200℃以上高性能固井材料及水泥漿技術；⑤復雜地質(zhì)條件、復雜生產(chǎn)工況的固井長期密封機理與技術體系；⑥窄密度窗口、小間隙、高壓氣井、高壓鹽層（控壓）固井技術。

（2）針對低滲透與非常規(guī)固井領域，需要開展以下研究工作：①2000m以上水平井套管安全下入及居中技術；②匹配大型體積壓裂的套管安全使用與固井水泥環(huán)長期密封技術；③長水平井高效頂替技術與高性能固井膠塞；④高泵壓固井水泥車與自主化高壓水泥頭。

（3）針對老油田固井領域，需要開展以下研究工作：①老區(qū)調(diào)整井不停注固井技術；②調(diào)整井固井管外竄流預防技術與后期竄流治理技術；③側鉆水平井固井技術；④抗350℃高溫硅酸鹽基固井材料與水泥漿技術。

隨著油氣勘探開發(fā)工作的不斷深入，鉆井及開發(fā)新技術的發(fā)展，對固井技術的要求也越來越高，我們必須抓住有利時機積極推動固井技術創(chuàng)新發(fā)展，推動固井技術實現(xiàn)轉型升級，把核心技術牢牢掌握在自己手里，力爭盡快趕上國際先進水平，為油氣及其他新能源的勘探開發(fā)提供工程技術保障。