现代固井装备发展概述

李哲　(中石化石油工程机械股份有限公司第四机械厂,湖北 荆州 434024)



现代固井装备发展概述

李哲(中石化石油工程机械股份有限公司第四机械厂,湖北 荆州 434024)

[摘要]经过30多年发展，我国固井装备的研制从初期的仿制到关键技术引进、自主创新开发，发展到今天，已经与国际水平同步。随着设计、制造和控制新技术的研究应用，大型固井装备的配套能力逐渐提高，大排量、高压力条件下的多台固井装备协同作业成为现实。面对近年来急剧增长的市场需求和国外公司潜在的竞争态势，国内固井装备制造业需要深化研究，为产业提升创造条件。介绍了国内外固井装备研发、制造技术现状，结合工程需求，总结归纳了国内固井装备实现可持续发展的突破点，指出了固井装备的发展方向，描绘了固井装备的发展蓝图，为固井装备新技术的开发、应用打下基础。

[关键词]固井装备; 研发技术;制造技术;发展方向

1技术发展现状

固井装备的作用是在特定的高压情况下，将设定密度的泥浆以一定速率向井底泵入要求的体积。先进的固井装备是提高固井质量的重要保证。固井技术的发展，对固井装备提出了更高的要求，主要表现在：要求固井装备具备高压力、大排量，能实现水泥浆密度的精确控制，减少固井作业过程中产生的气泡对水泥固化后机体的割裂，提高固井质量，保证固井的可靠性。

国外生产固井装备的国家以美国、加拿大为主，在油田固井装备制造技术方面，美国企业处于世界领先地位[1,2]。目前，哈里伯顿(Halliburton)、斯伦贝谢(Schlumberger)、TEM公司(Tulsa Equipment Manufacturing, Inc.)、BJ公司等大型油服公司引导着固井装备的发展，在关键专利技术等方面占有绝对领先地位。同时，他们利用装备配套全，现场经验丰富和数据详实等优势，着力打造为用户提供整体化解决方案，并相应设计出了动态模拟和设计软件，能够全程模拟钻井和固井过程，从而科学的进行质量评估并进行改进。

图1　GJC35-16型固井车

图2　GJC50-30双机双泵固井车

20世纪80年代初以前，我国的固井装备主要依赖进口，400型水泥车是使用最广泛的固井装备，从罗马尼亚进口量最大，有些至今仍在服役。90年代以来，随着国产配备有高能混合装置的二次混浆固井装备GJC35-16单机单泵固井车(图1)和GJC50-30双机双泵固井车(图2)的研制成功，不仅逐渐取代了400型水泥车而成为主流机型，而且使我国油田对进口装备的依赖程度大幅度降低。大功率、高压力、大排量、具有计算机控制自动混浆功能的GJC40-17单机单泵固井车和GJC70-25、GJC100-30双机双泵固井车的研制成功并在国内油田的广泛使用，标志着我国固井装备的研制水平已经进入到国际先进行列。国内固井装备经过30多年的发展, 从初期全部装备进口到关键技术引进,逐步建立了相对成型的技术研发团队和良好的固井研发平台，形成了产、学、研、用一体化的技术支撑体系。

现阶段，国外油服公司固井装备在国内的市场份额逐年减小，国产装备正在全面替代进口产品。生产厂家以中石化石油机械股份有限公司第四机械厂和四机赛瓦为主，生产具有自动混浆功能的双机双泵和单机单泵固井设备、拖挂式固井设备、撬装固井设备及批量混浆设备，压力范围从35～140MPa，排量范围从1300～4200L/min，年生产能力在300台套以上，在满足国内需求的基础上，每年大约有数十台套的装备出口。

2需求分析

图3　斯伦贝谢深水固井撬

图4　泡沫水泥固井装备

随着勘探程度的不断深入，以往地理条件较好地区的油气开采难度加大，常规油气田的发现也在逐渐减少，新发现油田的规模总体呈变小趋势，而新增储量越来越多地来自深水、极地等开采难度更大的地区，国内固井装备实现可持续发展，需从以下几个方面进行突破:

1)深水固井作业。与常规固井相比，深水固井(特别是表层段)常面临低温、浅层水一气流动、松软地层、异常高压砂层等问题，以及水泥浆密度低、密度“窗口”窄、井眼环空间隙大、井眼不规则、顶替效率差等因素的影响[3～5]。为解决这些问题，常使用超大功率固井设备，利用超低密度泡沫固井封隔地层，提高固井质量，有资料显示斯伦贝谢(Schlumberger)在墨西哥湾深水区域注水泥浆固井作业时，已经在使用单撬水(图3)功率在3450hp(1hp=0.735kW)固井设备，水泥浆最低密度在0.9g/ml左右。目前，深水钻井在国内已经起步，泡沫固井[6,7](图4)和大功率固井装备(图5)的研制已迫在眉睫。

2)页岩气开发固井。我国页岩气开发正处于快速发展阶段，页岩含泥质较多，具有易膨胀、易破碎的特点，固井作业过程中，浆柱产生的正压差要比钻井过程中的压差大得多，且要求水泥浆返至地面，封固段长，顶替后期易出现漏失[8～10]。为降低浆柱正压差，避免漏失，使用超低密度水泥浆进行固井作业势在必行。

图5　SGJ1000-35型大功率固井车

同时，封固段长的特点导致页岩气固井对大功率固井泵的需求增加，如涪陵页岩气长封固段固井作业压力一般在20～30MPa，同时排量要求在1.2～1.8m3/min，这种工况下固井泵的水功率要在900hp左右，现有固井泵已经不能满足要求，需开发大功率固井装备。

图6　沙漠固井车

图7　低温固井车

图8　小型化固井车

3)高压盐层气井固井。在川东北地区的河坝、元坝和通南巴区块、塔里木油田的库车等区域，由于盐层发育，存在气层压力高、温度高、气窜危险性大等特点，固井作业时为保持井眼压力平衡，井内液注压力必须始终与地层压力保持平衡，或略高于地层压力，因此时常需要注入密度大于2.7g/ml的水泥浆，而现有的固井装备混浆密度范围仅在1～2.7g/ml，一旦密度超过2～7g/ml，动力分配和控制系统都存在问题，高压井作业日益增加，开发适应高密度作业的固井装备非常有必要。

4)极端环境固井。随着世界油气资源易开发区域的逐步减少以及技术的发展，使得深海、雨林、孤岛、北极圈极寒区(工作温度-60℃)、沼泽滩涂区、沙漠极热区(工作温度+55℃)等难勘探开发区域的作业日益增多。针对这些区域开发出具有极低温防护、小型化、模块化、极端路况等特点的固井装备(图6、图7、图8)显得尤为必要和迫切。

5)枯竭气藏储气库井固井。储气库工程是我国战略储备的重大举措，枯竭油气藏储层存在高孔、高渗、压力亏空严重等问题,在储气库的各项工程作业中，固井质量与储气库的寿命及长期安全运行紧密相关，井筒注采密封性是保证储气库寿命及安全运行的关键。储气库井对一次固井质量要求高，对井筒密封性(管串、水泥环)要求高[11,12]。固井作业要求套管全程封固,特别是生产套管,既要保证储层井段的固井质量,又要将水泥返至井口，因此对固井装备的稳定性、可靠性和功率储备提出了新的要求，有必要加强储气库固井装备专业化的研发。

6)复杂天然气井及酸性气藏固井。随着天然气井勘探开发工作的不断深入，井下地质环境也越来越复杂，固井后环空带压问题也越来越突出，如川渝地区、塔里木油田、松辽盆地深层天然气、土库曼斯坦的阿姆河右岸气田等[13,14]。H2S和CO2气体容易产生压力波动，另外储层高含硫化氢等酸性介质，对固井装备及工具具有腐蚀作用。因此，需解决固井装备泵送时压力波动和主要部件的耐腐蚀问题。

3新型固井装备发展方向

1)更高的自动化、智能化水平。固井自动化包括固井装备的自动化和井下固井作业的自动化，前者主要指成套固井装备在接口、通信、操控系统和指挥调度系统的自动化[15,16]，后者主要指井下固井信息采集及反馈、监控的自动化。

建立固井专家数据库和技术软件平台系统(图9)，通过实时采集、远程传输、数据管理、故障诊断和反馈执行，实现各装备间协同作业的智能化控制新模式。

更高的自动化、智能化水平，可减少人工、提高作业精确性，并提高生产的安全系数。随着计算机、通讯及网络技术的广泛应用，智能化固井作业正在逐步成为现实，对于人类足迹无法到达的极端环境区域，“无人值守”固井智能化作业成为新的需求[17,18]。因此不断提高固井装备自动化、智能化水平是固井作业装备发展的必然趋势。

图9　固井装备远程智能化控制指挥平台

2)更大功率注水泥装备。由于超深井及复杂地层固井作业出现的频次越来越多[19,20]，尤其是深水固井作业以及超高压气井作业对固井作业时高压力、大排量、长时间、持续不间断作业需要，将助推大功率或者超大功率注水泥装备功率的快速发展。

采用1500～2000hp大功率柴油机或电机驱动的传动模式，总储备功率达到2000～3000hp的功能集成模块，将逐步取代现有的单机或双机固井设备。

3)更宽的固井水泥浆密度范围。为了降低固井环空水泥浆段的液柱压力，以便解决低压易漏油层固井漏失时，需要通过人工制泡、漂珠等方式设法降低泥浆的密度；或者解决高压力气井气窜危险性大等难题时，不断通过提高泥浆密度的方法来平衡地层压力。

现有固井装备制备水泥浆密度的范围为1～2.7g/ml，已经不能完全满足现代化固井作业的需求，因此，拓宽固井水泥浆密度范围，开发适应高密度、低密度作业的固井装备非常有必要。

4结语

1)经过近年来的技术攻关，国内在固井装备核心技术方面取得了较大突破，已形成了产、学、研、用一体化研发体系，装备制造方面具备系列化、多样化、规模化研制能力。

2)油气勘探的不断深入及难度加大，为固井装备新技术的开发应用及高端固井装备的研制提供了平台。

3)随着新技术及新工艺的应用，固井装备正朝着自动化、智能化、大功率、宽密度控制及型式多样化方向发展。

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[编辑]洪云飞

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)01-0065-05

[中图分类号]TE925

[作者简介]李哲(1981-)，男,工程师，现主要从事固压装备设计方面的研究工作；E-mail:13972151151@163.com。

[收稿日期]2015-10-27

[引著格式]李哲.现代固井装备发展概述[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(1)：65～69.