齊奉忠 馮宇思 韓 琴

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司

固井是較獨(dú)立的系統(tǒng)工程，具有作業(yè)時(shí)間短、工序多、技術(shù)性強(qiáng)，以及隱蔽性、一次性、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。固井質(zhì)量關(guān)系到油氣田的合理開發(fā)、后續(xù)井下作業(yè)的順利進(jìn)行，是油氣井的“百年大計(jì)”[1]。固井的主要目的是保護(hù)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(shù)為多學(xué)科研究應(yīng)用，涉及地質(zhì)、石油、機(jī)械、化學(xué)、流體力學(xué)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(xiàng)技術(shù)。經(jīng)過100多年的研究與應(yīng)用，固井技術(shù)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(yīng)不同地質(zhì)與鉆井條件的配套技術(shù)，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(shù)的發(fā)展，深井超深井和特殊井的持續(xù)增加，固井技術(shù)也在不斷完善和發(fā)展。

1 國(guó)外固井技術(shù)發(fā)展歷程

現(xiàn)代固井技術(shù)起源于1919年，這一年哈里伯頓（Halliburton）在美國(guó)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(shù)的標(biāo)志是固井作業(yè)獨(dú)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(shè)備、儀器儀表，制定實(shí)施API標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)外固井技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)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(dú)立的工藝與技術(shù)；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(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)與水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，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(jí)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(jí)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(yīng)不同井況、提高頂替效率的前置液等材料）；對(duì)固井機(jī)理進(jìn)行了初步探索（主要指固井過程中的頂替機(jī)理）。

1.3 科學(xué)化階段（1971—2012年）

該階段主要是在先進(jìn)的固井設(shè)備、工具、工藝和特殊的材料技術(shù)方面取得顯著進(jìn)步。經(jīng)過長(zhǎng)期研究和技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)了固井工藝定型、工具及材料條例化、設(shè)備專門化、技術(shù)理論化、設(shè)計(jì)科學(xué)化。（1）頂替機(jī)理研究方面，開發(fā)了系列沖洗液和隔離液及Opticem軟件，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)模擬固井施工過程；（2）在防竄機(jī)理研究方面，通過對(duì)油、氣、水防竄機(jī)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(píng)價(jià)儀器；（3）水泥環(huán)密封機(jī)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(shù)措施，如提供Welllife服務(wù)，確保環(huán)空密封及預(yù)測(cè)水泥環(huán)密封失效；（4）材料技術(shù)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(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)技術(shù)方面，主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)、精密機(jī)電一體化、實(shí)驗(yàn)分析儀器、測(cè)井評(píng)價(jià)方法及儀器技術(shù)的研究。

1.4 自動(dòng)化、智能化、信息化發(fā)展階段（2012年 以后）

該階段主要技術(shù)進(jìn)展包括：3D固井施工模擬技術(shù)，能夠清晰模擬井下情況，對(duì)提高頂替效率提供技術(shù)指導(dǎo)；iCem施工預(yù)測(cè)分析模擬軟件，可模擬水泥返高、頂替效率等；eRedBook移動(dòng)APP；哈里伯頓公司推出新一代深水固井系統(tǒng)“優(yōu)勢(shì)一號(hào)”（HCS Advantage One），該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)、控制約300個(gè)技術(shù)參數(shù)，作業(yè)數(shù)據(jù)可送達(dá)世界各地（圖1）；全生命周期固井成套技術(shù)、精細(xì)化及一體化固井技術(shù)研究，向智能化、信息化及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等方向逐步邁進(jìn)。

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

2 國(guó)內(nèi)固井技術(shù)發(fā)展歷程

隨著我國(guó)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(shù)的發(fā)展基本與鉆井技術(shù)同步，目前已形成一支裝備精良、業(yè)務(wù)熟練、技術(shù)先進(jìn)的技術(shù)研究與服務(wù)隊(duì)伍，市場(chǎng)規(guī)?？焖侔l(fā)展，技術(shù)水平持續(xù)提升，部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)由跟跑、并跑直至實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，為石油天然氣經(jīng)濟(jì)安全高效勘探開發(fā)提供了堅(jiān)強(qiáng)的工程技術(shù)保障，但總體技術(shù)較國(guó)際高端尚有差距。國(guó)內(nèi)固井技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了4個(gè)階段。

2.1 學(xué)習(xí)模仿階段（1950—1980年）

國(guó)內(nèi)油氣井固井技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)50年代，最早應(yīng)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(duì)伍（固井大隊(duì)）。當(dāng)時(shí)尚處于石油工業(yè)發(fā)展初期，固井技術(shù)基本是在參考蘇聯(lián)的技術(shù)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(shù)和裝備取得了長(zhǎng)足發(fā)展，固井裝

備及工具研制方面，主要研制了氣動(dòng)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(shù)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(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，解決了油田固井多項(xiàng)技術(shù)難題，技術(shù)成果在油田現(xiàn)場(chǎng)中廣泛應(yīng)用，為油氣勘探開發(fā)及增儲(chǔ)上產(chǎn)提供支持。

2.3 技術(shù)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(jìn)展，針對(duì)復(fù)雜井形成了配套技術(shù)。新技術(shù)不但能解決漏失井、高壓油氣井、長(zhǎng)封固段井、大位移井、水平井、小間隙井、鹽膏層井等復(fù)雜井的固井問題，也在滿足油氣勘探開發(fā)要求、實(shí)現(xiàn)油氣層保護(hù)和增產(chǎn)增效中發(fā)揮了更大的作用。裝備技術(shù)方面，從最初的噴射混合技術(shù)發(fā)展到全自動(dòng)混漿技術(shù)，從最初的機(jī)械式設(shè)備發(fā)展到電控化、智能化設(shè)備。

2.4 創(chuàng)新發(fā)展階段（2015年以后）

近年來我國(guó)在深井超深井、水平井及大位移井、大溫差長(zhǎng)封固段一次上返固井、儲(chǔ)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(dá)200℃[3]，產(chǎn)品全部實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)固井裝備的研制從初期的仿制到關(guān)鍵技術(shù)引進(jìn)、自主創(chuàng)新開發(fā)，發(fā)展到今天，部分設(shè)備已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3 國(guó)外固井技術(shù)發(fā)展新趨勢(shì)

2010年，墨西哥灣BP公司海上鉆井平臺(tái)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(guó)際上對(duì)固井作業(yè)的特殊性、重要性日益重視[4]。目前固井技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：總體上向技術(shù)配套、系列化、個(gè)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(guān)注水泥石性能的方向發(fā)展（表1）；固井質(zhì)量向保證長(zhǎng)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(qiáng)過程控制、管理精細(xì)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(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵。一次成功的固井作業(yè)不僅需要頂替到位、膠結(jié)良好，還要求水泥漿固化后，水泥環(huán)具有在井眼整個(gè)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(rèn)識(shí)和要求固井工程[5]。為保證水泥環(huán)的密封完整性，國(guó)際上開發(fā)應(yīng)力分析軟件，研制柔性水泥，并結(jié)合提高頂替效率等措施保證環(huán)空水泥環(huán)的長(zhǎng)期密封。

表1 過去和現(xiàn)在國(guó)外對(duì)水泥性能關(guān)注的變化對(duì)比

3.2 長(zhǎng)壽命固井成為追求目標(biāo)

一些公司提出了“長(zhǎng)效同井”的理念，即實(shí)現(xiàn)全井生命周期內(nèi)的有效封隔，為油氣井長(zhǎng)期安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。長(zhǎng)壽命固井成為甲乙雙方共同追求的目標(biāo)。美國(guó)貝克休斯公司的長(zhǎng)效固井體系理念主要包括4個(gè)方面：（1）實(shí)現(xiàn)全井生命周期內(nèi)的有效封隔；（2）必須結(jié)合良好的設(shè)計(jì)和施工；（3）必須根據(jù)不同井況進(jìn)行設(shè)計(jì)；（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(fù)雜井況下安全固井及密封要求。

3.3 “一體化”固井理念被認(rèn)可

斯倫貝謝公司推廣“一體化”固井服務(wù)，采用固井優(yōu)化軟件進(jìn)行固井設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)的針對(duì)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(shí)現(xiàn)從粗放化向精細(xì)化流程管理的理念轉(zhuǎn)變，注重細(xì)節(jié)，加強(qiáng)過程管理。

4 我國(guó)固井技術(shù)存在的問題與差距

4.1 目前存在的問題

國(guó)內(nèi)油氣資源集中于“深、低、非、老”領(lǐng)域，井深更深（跨越8000m）、水平段更長(zhǎng)（邁向3000m），地質(zhì)條件日益苛刻、工程技術(shù)難度日益加劇，給固井工程帶來更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前我國(guó)固井技術(shù)主要存在的問題包括：深井超深井固井技術(shù)仍需進(jìn)一步完善；高溫超高溫固井技術(shù)水泥漿、隔離液抗溫性及敏感性需進(jìn)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(zhǎng)期密封性需要提高；壓力系統(tǒng)復(fù)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(fù)雜并存井固井“有辦法，無把握”；火燒油層、蒸汽驅(qū)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?zé)峋?、干熱巖、水合物固井剛起步。

4.2 與國(guó)外相比存在的差距

我國(guó)固井技與國(guó)外相比，差距主要反映在以下7個(gè)方面：

一是固井裝備。固井裝備正朝著自動(dòng)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(guó)內(nèi)固井裝備正在全面替代國(guó)外產(chǎn)品，并且每年有數(shù)十臺(tái)裝備出口。但與國(guó)外固井裝備相比，國(guó)內(nèi)的固井裝備的自動(dòng)化、智能化、信息化程度不夠。

全球海上油氣開發(fā)重點(diǎn)逐步由淺海走向深水。深水地區(qū)的鉆采作業(yè)對(duì)作業(yè)裝備提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和要求。目前全球深水固井裝備市場(chǎng)幾乎被哈里伯頓、斯倫貝謝、貝克休斯-BJ三大油田服務(wù)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(shù)和固井裝備。

中石化石油機(jī)械股份有限公司與中海油田服務(wù)股份有限公司共同合作開發(fā)的我國(guó)首臺(tái)大功率電驅(qū)海洋固井裝備成功通過工廠模擬固井測(cè)試。

二是固井外加劑及水泥漿體系。該領(lǐng)域我國(guó)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用、個(gè)性化設(shè)計(jì)方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。目前研究朝著廣譜化、細(xì)致化、密度范圍更寬、適應(yīng)溫度更高、應(yīng)用領(lǐng)域更廣的方向發(fā)展。在這些發(fā)展領(lǐng)域以及油井水泥、減輕材料、加重材料等基礎(chǔ)材料上，我們與國(guó)外差距較大[6]。

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

四是固井實(shí)驗(yàn)儀器。目前國(guó)內(nèi)高溫高壓深井超深井固井試驗(yàn)用儀器主要依靠國(guó)外進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)儀器的抗溫及耐高壓性能尚不能滿足試驗(yàn)要求。

五是全生命周期固井研究。國(guó)外全生命周期固井研究與應(yīng)用已有十多年歷史，開發(fā)了預(yù)測(cè)軟件、系列水泥漿體系、一體化固井技術(shù)及精細(xì)化固井管理施工流程，國(guó)內(nèi)正對(duì)此深入研究，目前尚處于定性化階段。

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

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

5 我國(guó)固井技術(shù)發(fā)展建議

據(jù)預(yù)測(cè)，到2035年中國(guó)將占世界能源消費(fèi)總量的26%，占全球凈增長(zhǎng)量的35%。到2035年，油氣占我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的比例為32%。國(guó)內(nèi)目前努力實(shí)現(xiàn)增儲(chǔ)上產(chǎn)，大力推進(jìn)天然氣跨越式發(fā)展，力爭(zhēng)在2035年前將石油、天然氣對(duì)外依存度分別控制在70%和50%以下[7]。

未來5～10年，甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)勘探開發(fā)的主要資源領(lǐng)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(duì)資源品質(zhì)劣質(zhì)化、油氣目標(biāo)復(fù)雜化、安全環(huán)保嚴(yán)格化等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。固井技術(shù)需進(jìn)一步提升技術(shù)創(chuàng)新力及核心競(jìng)爭(zhēng)力，在復(fù)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(duì)深井固井領(lǐng)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(dòng)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(shù)；⑤復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜生產(chǎn)工況的固井長(zhǎng)期密封機(jī)理與技術(shù)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(shù)。

（2）針對(duì)低滲透與非常規(guī)固井領(lǐng)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(shù)；②匹配大型體積壓裂的套管安全使用與固井水泥環(huán)長(zhǎng)期密封技術(shù)；③長(zhǎng)水平井高效頂替技術(shù)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(duì)老油田固井領(lǐng)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(shù)；②調(diào)整井固井管外竄流預(yù)防技術(shù)與后期竄流治理技術(shù)；③側(cè)鉆水平井固井技術(shù)；④抗350℃高溫硅酸鹽基固井材料與水泥漿技術(shù)。

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(shù)的發(fā)展，對(duì)固井技術(shù)的要求也越來越高，我們必須抓住有利時(shí)機(jī)積極推動(dòng)固井技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)固井技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，把核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里，力爭(zhēng)盡快趕上國(guó)際先進(jìn)水平，為油氣及其他新能源的勘探開發(fā)提供工程技術(shù)保障。