當前中國固井技術研究發展與趨勢

郭凱凱 朱慶國 范淑慧 任雪鳳 任建棚

摘 要 中國石化固井技術的發展應該以滿足生產需求為目的，以超深井、復雜深井、頁巖油氣、低滲透、老油田調整井復雜壓力系統等固井技術為主，更高效地服務于復雜油氣藏的勘探開發。同時，提高跨界集成程度，開發多功能、廣譜、智能化、一體化的新型固井膠結材料和高功率、自動化、智能化的固井膠結設備，集設計、監控于一體的固井膠結設備，在固井膠結技術的未來發展中十分重要。

關鍵詞 固井技術 固井設備 固井工具 數字化

中圖分類號：TE256 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）06-0037-02

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上，中國石化將繼續加大力度。挖掘老油田潛力，勘探開發目標更加復雜，隨著多級壓裂技術應用越來越廣泛，對水泥環密封完整性要求也越來越高。固井難度越大，對質量的要求也越高。因此，圍繞水泥環密封的完整性提升，研究開發水泥環密封的完整性理論、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，重點開發超深井復雜深井、低滲透和頁巖油氣、老油田調整井復合壓力體系固井及相關技術，多方位將固井質量進行提高，給油氣資源的勘探開發提供強有力的技術支持，確保其安全高效進行。

1 在深井方向進行固井技術研究

當下，中國石化新疆分公司順北、昭化區油氣田海相油氣藏勘探開發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定性、固井工具耐高溫性、水泥環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研究必須持續開展下去[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中的復雜地質條件，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，并研發了多功能一體化的寬溫度范圍的油井水泥外加劑。研究結果表明：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構完整性和力學性能穩定性，為了提高水泥驅替效率，研制了高溫防腐防竄水泥漿，加強了固井技術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

針對氣溫壓高、活躍氣層、安全密度窗口窄、壓力穩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。“封堵”就是進行壓力封堵，杜絕水泥漿滲漏。“封氣”是利用增強的抗氣竄水泥漿形成封氣層;“壓力”是指漿柱結構的合理設計和壓力的階段性穩定;“快”是指盡快清理反循環;“控制”是指條件不穩定時的壓力控制固井過程。該技術已應用于塔河油田、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

長水平段水平井的頁巖氣對水泥質量要求嚴格，而大規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：“增韌”是基于水泥石的力學性能，彈性材料的發展，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，設計四級預沖洗結構，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量;“扶正”是指開發一種完整的套管扶正器，實現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。該固井技術在涪陵、渭榮等地區200多口井中進行了應用，大大提高了頁巖氣井的固井質量，為頁巖氣的勘探開發提供了技術支持。

1.3 超長固井段溫差大的固井技術

針對順北等地區固井技術存在的固井段長、溫差大、難以兼顧壓力穩定和防漏、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、優化”的大溫差固井技術。“封堵”是指對地層壓力進行封堵，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難題。“扶正”可以選擇彈性扶正器或者樹脂旋流剛性扶正器。對套管密度的優化設計可以使用專業軟件，保證套管密度不小于67%。“優化”是采用效能優異的預流體對料漿柱結構進行優化，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的地層。該工藝已應用于新疆、四川等地區的一百多口井中，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研究

隨著我國天然氣戰略的大力發展實施，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）的勘探開發技術研究，固井質量面臨著許多技術問題，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研究，將水泥環的密封完整性能進行提高。可以采取的技術措施有對水泥環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密封能力，水泥環密封失效判據等，以此來研究水泥環密封能力的提高方法。研究長水平井安全下套管技術，水泥彈塑性改性技術，水平井提高頂替效率技術，開發高性能非固相堵漏材料，用壓力處理技術強化天然氣井環空。

3 對復雜井進行壓力體系研究和固井技術研究

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進入后期。固井技術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量。為了提高復雜壓力環境下薄互層水泥的固井質量，迫切需要加強復雜壓力體系下老油田調整井的固井技術研究，研究泡沫水泥漿和低密度低成本水泥漿固井技術，研究水平井、側鉆水平井等固井技術[2]。

4 對新型的化學固井材料進行研究

常規油井水泥漿固有的脆性和收縮性決定了水泥環腐蝕、長期力學性能劣化和防滲漏等技術問題。為此，需要加強新型固井材料的研究與開發：水泥環在特殊地層以及復雜流體中有特殊要求，因此研究與開發新型固井材料，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。對智能固井材料（環境或時間響應型）的研究與開發主要包括：研究開發智能材料，使其能夠在有氣時膨脹或產生二次水化，將環空氣竄問題從根本上予以解決;研究開發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問題予以徹底解決;研究開發新型膠凝智能材料，具有井下激發功能，可以真正實現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，也沒有開發經驗。今后15年，南海中南部的樂東、陵水、瓊東南和中南部等地區將要勘探開發的構造具有超高溫高壓的特點，渤海渤中區塊的深部構造也是高溫高壓，還有東南亞的寧波區塊海外氣田項目，英國北海氣田項目等。為此，有必要開發一種能滿足油層深度的綜合固井技術，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，勘探開發已逐漸進入深海、非常規石油、天然氣，工作環境和地質構造特殊，常規固井設備不能滿足這些環境下的固井作業要求，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權的新一代大功率全自動注水泥成套設備及配套工具，在互聯網技術的基礎上，進行優化固井技術，完善現場監控系統，從而徹底達到固井設計與現場監控一體化的目的，提高固井作業能力，實現數字化、自動化控制。

7 結論與建議

（1）開發了防腐蝕、智能密封、溫度寬譜、液態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，對中國石化油氣勘探開發的需要予以滿足。

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

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

（4）通過進行多學科聯合研究，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、設計和監控一體化固井的設備，這將是未來的主體發展方向。

參考文獻：

[1] 路保平，丁士東，何龍，等.低滲透油氣藏高效開發鉆完井技術研究主要進展[J].石油鉆探技術，2019，47（01）：1-6.

[2] 杜金虎，何海清，楊濤，等.中國致密油勘探進展及面臨的挑戰[J].中國石油勘探，2014，19（01）：1-9.