當前中國固井技術(shù)研究發(fā)展與趨勢

郭凱凱 朱慶國 范淑慧 任雪鳳 任建棚

（山東科瑞機械制造有限公司，山東 東營 257000）

未來10 年，在深層和超深層油氣、致密油氣和頁巖油氣的勘探開發(fā)上，中國石化將繼續(xù)加大力度。挖掘老油田潛力，勘探開發(fā)目標更加復雜，隨著多級壓裂技術(shù)應用越來越廣泛，對水泥環(huán)密封完整性要求也越來越高。固井難度越大，對質(zhì)量的要求也越高。因此，圍繞水泥環(huán)密封的完整性提升，研究開發(fā)水泥環(huán)密封的完整性理論、新型智能固井材料、多功能綠色油井水泥外加劑和水泥漿、新一代智能固井設備和工具，重點開發(fā)超深井復雜深井、低滲透和頁巖油氣、老油田調(diào)整井復合壓力體系固井及相關(guān)技術(shù)，多方位將固井質(zhì)量進行提高，給油氣資源的勘探開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持，確保其安全高效進行。

1 在深井方向進行固井技術(shù)研究

當下，中國石化新疆分公司順北、昭化區(qū)油氣田海相油氣藏勘探開發(fā)井的井深大部分都超過7000m，井下的壓力和溫度都很高(實際測試溫度高達191.8℃，井底壓力大于100Mpa)。固井段長度達到五千米以上，壓力體系復雜，對水泥漿耐高溫性、高溫下水泥石強度的穩(wěn)定性、固井工具耐高溫性、水泥環(huán)的完整性和長期密封性提出很高的要求。當下，我國的油井水泥外加劑具有性能單一、溫度范圍小的特點，沒有多能量、廣譜溫度類型的外加劑，復雜化了油井水泥漿體系，同時也沒有能耐180℃以上高溫的緩凝劑和降失水劑。在穩(wěn)定性與流變性上，高溫高密度和超高密度水泥漿與國外有很大不同。為此，深井和超深井固井技術(shù)研究必須持續(xù)開展下去[1]。

為了將“二高一低”水泥漿的性能進行提高，滿足深井和超深井固井技術(shù)中的復雜地質(zhì)條件，研制了超高密度(實際密度大于2.70kg/l)、超高溫(耐溫度大于200℃)和超低密度(實際密度小于1.20kg/L)水泥漿，并研發(fā)了多功能一體化的寬溫度范圍的油井水泥外加劑。研究結(jié)果表明:超高密度水泥外加劑具有良好的綜合性能，為了保證水泥石在高溫下的結(jié)構(gòu)完整性和力學性能穩(wěn)定性，為了提高水泥驅(qū)替效率，研制了高溫防腐防竄水泥漿，加強了固井技術(shù)在深井窄安全密度窗口、小間隙、高壓氣井和高壓鹽層方面的研究。

1.1 深井、超深井固井技術(shù)

針對氣溫壓高、活躍氣層、安全密度窗口窄、壓力穩(wěn)定與防漏矛盾突出等問題，形成了深井、超深井“堵、封、壓、快、控”固井技術(shù)?！胺舛隆本褪沁M行壓力封堵，杜絕水泥漿滲漏?！胺鈿狻笔抢迷鰪姷目箽飧Z水泥漿形成封氣層;“壓力”是指漿柱結(jié)構(gòu)的合理設計和壓力的階段性穩(wěn)定；“快”是指盡快清理反循環(huán)；“控制”是指條件不穩(wěn)定時的壓力控制固井過程。該技術(shù)已應用于塔河油田、順北油氣田和四川深海海相油氣井一百多口井，對深井和超深井固井問題進行了有效的解決。

1.2 頁巖氣長水平段水平井固井技術(shù)

長水平段水平井的頁巖氣對水泥質(zhì)量要求嚴格，而大規(guī)模分段壓裂水平井對密封能力要求苛刻。因此，形成了以增韌、沖洗和扶正為核心的技術(shù):“增韌”是基于水泥石的力學性能，彈性材料的發(fā)展，韌性增強，Elastic-ductile水泥泥漿的形成，提高水泥石的硬脆性，以滿足壓裂過程中對夾層密封和長期密封的需求；“沖洗”是進行預沖洗，設計四級預沖洗結(jié)構(gòu)，設計合理的密度差和粘度差，提高水泥的置換效率和水泥質(zhì)量；“扶正”是指開發(fā)一種完整的套管扶正器，實現(xiàn)長水平井中套管扶正、安全下井的目的，保證套管能夠順利下井，同時將水泥漿的頂替效率大幅提高。該固井技術(shù)在涪陵、渭榮等地區(qū)200 多口井中進行了應用，大大提高了頁巖氣井的固井質(zhì)量，為頁巖氣的勘探開發(fā)提供了技術(shù)支持。

1.3 超長固井段溫差大的固井技術(shù)

針對順北等地區(qū)固井技術(shù)存在的固井段長、溫差大、難以兼顧壓力穩(wěn)定和防漏、水泥漿頂部溫度低與底部溫度高的矛盾突出等問題，形成了超長固井段“封堵、廣譜、扶正、優(yōu)化”的大溫差固井技術(shù)?！胺舛隆笔侵笇Φ貙訅毫M行封堵，將地層的承壓能力予以提高；下套管前對井筒進行超纖維洗井，使固井安全密度窗口得以擴大。“廣譜”是利用研制的溫度廣譜水泥緩凝劑和降濾失劑形成溫度廣譜水泥漿，解決大溫差固井的技術(shù)難題?！胺稣笨梢赃x擇彈性扶正器或者樹脂旋流剛性扶正器。對套管密度的優(yōu)化設計可以使用專業(yè)軟件，保證套管密度不小于67%。“優(yōu)化”是采用效能優(yōu)異的預流體對料漿柱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，前漿選用耐高溫低密度水泥漿，中漿選用鹽水低密度水泥漿，尾漿選用耐高溫硅水泥漿，從而有效封堵不同壓力系統(tǒng)的地層。該工藝已應用于新疆、四川等地區(qū)的一百多口井中，使超長裸眼段的有效固井成為可能。順北4 井固井段長5700.00m，溫差105℃。

2 對頁巖氣和致密油氣層的固井進行技術(shù)研究

隨著我國天然氣戰(zhàn)略的大力發(fā)展實施，中石化在四川、鄂爾多斯等地加大了天然氣(包括頁巖氣和致密氣)的勘探開發(fā)技術(shù)研究，固井質(zhì)量面臨著許多技術(shù)問題，比如長套管在水平段難以下入、油基鉆井液沖洗困難、水泥固井質(zhì)量和水泥石彈塑性在分段壓裂中要求高等，同時也要求水泥環(huán)具有更高的密封完整性。因此，迫切需要加強致密油氣和頁巖氣固井技術(shù)研究，將水泥環(huán)的密封完整性能進行提高。可以采取的技術(shù)措施有對水泥環(huán)微裂縫的形成機理進行分析，定量評價油氣水竄方法，分段壓裂和高能射孔是否影響到水泥環(huán)密封能力，水泥環(huán)密封失效判據(jù)等，以此來研究水泥環(huán)密封能力的提高方法。研究長水平井安全下套管技術(shù)，水泥彈塑性改性技術(shù)，水平井提高頂替效率技術(shù)，開發(fā)高性能非固相堵漏材料，用壓力處理技術(shù)強化天然氣井環(huán)空。

3 對復雜井進行壓力體系研究和固井技術(shù)研究

中石化勝利油田、河南油田、江蘇油田等華東老油田的勘探開發(fā)進入后期。固井技術(shù)將要解決的主要問題有：地層壓力由于多年注采而變得比較復雜，油氣層上下層壓差大，對薄夾層封堵特別是第二界面封堵要求要有很高的質(zhì)量。為了提高復雜壓力環(huán)境下薄互層水泥的固井質(zhì)量，迫切需要加強復雜壓力體系下老油田調(diào)整井的固井技術(shù)研究，研究泡沫水泥漿和低密度低成本水泥漿固井技術(shù)，研究水平井、側(cè)鉆水平井等固井技術(shù)[2]。

4 對新型的化學固井材料進行研究

常規(guī)油井水泥漿固有的脆性和收縮性決定了水泥環(huán)腐蝕、長期力學性能劣化和防滲漏等技術(shù)問題。為此，需要加強新型固井材料的研究與開發(fā)：水泥環(huán)在特殊地層以及復雜流體中有特殊要求，因此研究與開發(fā)新型固井材料，如新型固化樹脂、多功能一體化鉆井液固井液、水泥石納米改性等；加強智能材料的研究與開發(fā)。對智能固井材料（環(huán)境或時間響應型）的研究與開發(fā)主要包括:研究開發(fā)智能材料，使其能夠在有氣時膨脹或產(chǎn)生二次水化，將環(huán)空氣竄問題從根本上予以解決；研究開發(fā)具有形狀記憶功能的聚合物材料，對水泥漿滲漏、堵塞和回彈改性技術(shù)問題予以徹底解決；研究開發(fā)新型膠凝智能材料，具有井下激發(fā)功能，可以真正實現(xiàn)固井液與鉆井液的一體化，將水泥漿與鉆井液不相容的問題徹底解決。

5 超高溫高壓、復合酸性氣體腐蝕和超窄壓力

“十三五”期間，針對超高溫高壓、復合酸性氣體腐蝕、壓力窗口超窄等難題，在超高溫高壓(超高溫高壓、深水高溫高壓、高溫高壓、常規(guī)高溫高壓)復合井上進行了成功的探索，取得了較好的效果。然而，在超高溫高壓、深水高溫高壓、CO2/H2S 復合腐蝕井固井實踐方面還不夠充分，也沒有開發(fā)經(jīng)驗。今后15 年，南海中南部的樂東、陵水、瓊東南和中南部等地區(qū)將要勘探開發(fā)的構(gòu)造具有超高溫高壓的特點，渤海渤中區(qū)塊的深部構(gòu)造也是高溫高壓，還有東南亞的寧波區(qū)塊海外氣田項目，英國北海氣田項目等。為此，有必要開發(fā)一種能滿足油層深度的綜合固井技術(shù)，井下工具溫度要求耐溫225℃，保證能工作在4000 到7000m、溫 度200 到240 ℃、壓力120 到150mpa、CO2和H2S 復合腐蝕、壓力窗口0.05-0.10g/cm3的環(huán)境下。

6 對固井自動化和智能化設備進行研究

近幾年來，勘探開發(fā)已逐漸進入深海、非常規(guī)石油、天然氣，工作環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造特殊，常規(guī)固井設備不能滿足這些環(huán)境下的固井作業(yè)要求，需要提高固井設備的功率、自動化水平以及智能化程度。建議研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代大功率全自動注水泥成套設備及配套工具，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行優(yōu)化固井技術(shù)，完善現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，從而徹底達到固井設計與現(xiàn)場監(jiān)控一體化的目的，提高固井作業(yè)能力，實現(xiàn)數(shù)字化、自動化控制。

7 結(jié)論與建議

（1）開發(fā)了防腐蝕、智能密封、溫度寬譜、液態(tài)硅防氣竄等水泥漿體系，形成了高溫高壓、大溫差、超深井和頁巖油氣固井技術(shù)，對中國石化油氣勘探開發(fā)的需要予以滿足。

（2）在關(guān)鍵井下工具、主要設備和軟件方面取得突破，如性能優(yōu)良的尾管懸掛器、一體化氮氣泡沫固井系統(tǒng)、分級固井工具、自動化水泥車、優(yōu)化設技固井技術(shù)的軟件等，提高了固井技術(shù)服務范圍。

（3）中石化將繼續(xù)加大深層、超深層、致密油氣和頁巖氣方面的勘探開發(fā)力度。以需求為導向發(fā)展固井技術(shù)，將超深井固井技術(shù)、復雜深井低滲透、頁巖油氣固井技術(shù)和復雜壓力系統(tǒng)下老油田調(diào)整井固井技術(shù)作為發(fā)展重點。

（4）通過進行多學科聯(lián)合研究，來研究多功能、廣譜、智能化、集成化的新型固井的化學材料和自動化、大功率、智能化、設計和監(jiān)控一體化固井的設備，這將是未來的主體發(fā)展方向。