中国石油固井技术进展及发展建议

中国石油集团钻井工程技术研究院

中国石油固井技术进展及发展建议

齐奉忠 刘硕琼 沈吉云

中国石油集团钻井工程技术研究院

经过“十二五”的技术攻关，中国石油固井技术取得很大进步，在大温差长封固段油气井、深层复杂天然气井、页岩气及储气库井等类井的固井技术以及提高顶替效率等方面均取得重要进展；抗高温水泥浆、大温差水泥浆、韧性水泥、磷酸盐水泥、自愈合水泥等固井材料的现场应用获得良好效果；常规固井工具日益成熟，特殊固井工具取得突破；固井装备实现更新换代；固井质量智能化控制技术取得初步进展；水泥环密封完整性、水泥增韧改造机理等固井基础理论研究日益深化。由于油气勘探开发对象日益复杂，以及受低油价、工作量缩减、技术竞争加剧等因素影响，“十三五”期间固井行业将面临一系列新的挑战，需进一步提升技术创新力及核心竞争力，在复杂深井超深井、复杂天然气井、复杂调整井、非常规油气井及井筒密封完整性等方面开展深入持续的研究工作，为油气勘探开发提供更为强有力的技术支撑。

固井；天然气井固井；水泥浆；外加剂；固井工具

固井是油气井建井过程中的一个重要环节，固井质量直接关系到油气井寿命、长期安全生产甚至油气藏的采收率[1]。随着石油天然气勘探开发工作的不断深入，勘探开发对象日益复杂。深层、低渗透、非常规油气资源储量成为油气产量新的增长点，老油田稳产增效成为工作重点。为了满足复杂油气藏、老油藏挖潜及海外复杂区块油气勘探开发的需求，中国石油天然气集团公司（简称中国石油）固井专业通过“十二五”的技术攻关，基本形成了系列配套的固井材料、固井工具及相应的固井工艺技术，有力地支撑了油气生产。在新的勘探开发形势及低油价大的市场环境下，固井技术面临新的严峻挑战，需要从基础理论、水泥浆体系、固井工具、软件及智能化固井平台系统等方面开展深入持续的研究工作，进一步提升技术创新力，解决复杂井固井“有方法、无把握”的问题，实现油气井全生命周期井筒密封，提升固井工程技术对勘探开发的服务保障能力。

1 “十二五”固井技术进展

“十二五”期间，中国石油固井技术进展主要表现在工艺技术、功能材料和水泥浆体系、工具与附件、技术装备、基础理论研究5个方面。

1.1 工艺技术方面

1.1.1 大温差长封固段固井技术

近年来，油气勘探开发向深层及复杂地层发展，大温差长封固段井固井越来越多。通过深入攻关，解决了水泥浆超缓凝、浆体稳定性差，以及水泥石抗压强度低、发展慢等技术难题，有效提高了长封固段大温差井的固井质量。近5年来，大温差固井技术在中国石油的塔里木、西南、长庆、冀东、华北等油气田推广应用1000多口井，有效保障了井筒完整性，为简化井身结构、降低成本、实现提速提效提供了技术支撑。

1.1.2 深层高压酸性天然气井固井技术

安岳气田是迄今我国发现的单体规模最大的碳酸盐岩整装气藏，该气田磨溪—高石梯地区φ177.8mm尾管井段集中了6项固井技术难点（跨120℃温度敏感点、温差大、高密度水泥浆、存在高压气层及水层、尾管固井、五开降钻井液密度）（图1），固井难度大、要求高。通过深入持续攻关，开发出高性能水泥石膨胀增韧材料，攻克了高温高密度水泥石韧性改造难度大、复杂井眼条件下提高顶替效率及压稳、防窜的技术难题。配套技术在磨溪—高石梯地区进行了成功试验及推广，为安岳气田的经济安全高效开发奠定了基础，并在其他复杂天然气固井中进行了推广应用。

1.1.3 页岩气井固井技术

针对页岩气固井及大型体积压裂改造等技术难题，通过复杂井眼条件下套管安全下入技术、保证套管居中技术、高密度油基钻井液条件下提高顶替效率及界面清洗技术、高密度水泥浆配方优化及韧性改造技术、大型体积压裂条件下的井筒密封技术的攻关，形成了固井综合配套技术，为页岩气井“工厂化”及大型体积压裂的成功实施创造了条件。页岩气固井配套技术的成功试验及推广应用，有效保证了固井质量，推进了四川长宁—威远、滇黔北昭通国家级页岩气示范区建设步伐[2]。

1.1.4 储气库井固井技术

储气库建设已被列入中国天然气安全稳定供气的重点工程，固井质量及井筒长期注采密封性是保证储气库长寿命安全运行的关键。储气库固井技术以开发高强度韧性水泥为重要突破口，通过固井工艺及防漏、保证井筒密封、防止环空带压、固井质量评价等技术攻关，基本形成了适应枯竭气藏储气库的固井配套技术，确保了固井质量，加快了建设速度，降低了建库成本，也为以后储气库建设提供了技术指导。中国石油第一批6个储气库如华北苏桥、大港板南、重庆相国寺、新疆呼图壁、辽河双6、长庆储气库均已投入使用。

图1 磨溪高—石梯井身结构及地层压力分布情况

中国石油盐穴储气库固井技术与现场试验效果显著，江苏金坛、江苏淮安及楚州、湖北云应、河南平顶山盐穴储气库固井均取得突破。西气东输金坛盐穴储气库固井解决了盐水水泥浆综合性能差、漏失问题突出、上层套管内固井质量差等问题，近年来固井优质率达100%。

1.1.5 高效冲洗隔离液及提高顶替效率的技术

针对复杂井眼条件下固井中钻井液与水泥浆污染严重、难以冲洗干净等问题，通过对污染机理、冲洗作用机理等的研究，开发出由抗污染剂、冲洗剂、高温悬浮稳定剂、加重剂及配套外加剂组成的抗污染冲洗隔离液体系，在深井超深井、复杂天然气井、非常规油气井及页岩气井、储气库井等进行了全面推广应用，为复杂井眼条件下不同类型钻井液环空替净提供了技术利器，为保证环空的长期密封奠定了基础[3]。

1.2 功能性固井材料及水泥浆体系方面

通过“十二五”期间的技术攻关，中国石油在抗高温固井外加剂、大温差固井外加剂、高温韧性水泥及增韧材料、磷酸盐水泥、自愈合水泥等方面取得突破，保证了复杂深井及复杂地质、复杂工况条件下固井施工安全及固井质量。

1.2.1 抗高温外加剂及水泥浆体系

通过对发挥缓凝作用的分子基团进行深入的机理分析，研制了新型抗高温缓凝剂。新型缓凝剂在高温下具有很好的缓凝性能，低温下强度发展迅速，同时对水泥石抗压强度影响小。通过分子结构设计结合降失水机理及缓凝机理，研制出了抗200℃高温的降失水剂，解决了一般降失水剂抗高温、抗盐能力差及缓凝剂适应温差范围窄、性能敏感等难题。攻关前抗高温水泥浆抗温能力150℃，攻关后抗温能力达到200℃，大大拓展了应用范围。

1.2.2 大温差固井外加剂及水泥浆体系

大温差长封固段固井的核心技术是开发能够在大温差条件下使用的外加剂。通过对降失水机理及缓凝机理研究，结合聚合物分子链官能团，设计开发出抗高温大温差降失水剂，适用不同温度段的大温差缓凝剂。通过紧密堆积理论优化设计，形成了3套适用于不同温度段（50～120℃、80～180℃、90～190℃）的大温差水泥浆体系，解决了水泥浆“鼓包”及“包芯”、浆体稳定性差、水泥浆顶部与底部温差大造成水泥顶部强度发展缓慢甚至超缓凝等固井难题。

1.2.3 高温韧性水泥及增韧材料

通过对水泥石膨胀增韧、高温增强机理研究，开发出性能优越的膨胀增韧材料和高温增强材料。依托膨胀增韧材料、高温增强材料、加重材料及抗高温外加剂等配套固井材料，研发出低弹模高强度膨胀韧性防窜水泥浆体系，攻克了水泥石低弹性模量与高强度的矛盾以及水泥石高温开裂、强度衰退、影响密封两项技术难题，开发的高性能韧性水泥满足了高压天然气井、大型体积压裂条件下页岩气及致密油气井固井对水泥环密封的要求，奠定了长期安全生产的基础[3]。

1.2.4 磷酸盐水泥

针对CO2对水泥环腐蚀及抗高温的问题，基于CO2对水泥环腐蚀机理，从热力学防CO2腐蚀出发，用酸碱反应制备磷酸盐水泥，并通过加入2种调节材料，使得磷酸盐水泥强度可控发展；根据磷酸盐水泥水化机理和表面特点，合成了降失水剂和缓凝剂，解决水泥浆施工难题。已成功在吐哈油田火烧吞吐、火驱开发井进行了2口井的现场试验，为在CO2环境中水泥环防腐蚀及抗超高温提供了新的技术手段。

1.2.5 自愈合水泥

为解决气井固井后的气窜或环空带压问题，近年来开展了自愈合水泥的研究。自愈合水泥对水泥环微裂缝或微间隙具有自动封堵能力，抑制气窜发生，具有弹性水泥特性，可有效解决固井后气窜难题，耐温可达150℃。自愈合水泥可用于天然气井、储气库井，以及需要进行分段压裂作业的油气井固井，如页岩气井和致密油气井固井。

1.3 固井工具及附件领域

1.3.1 常规固井工具及附件

研发的系列化常规固井工具如尾管悬挂器、分级箍、浮箍和浮鞋等基本满足了中国石油国内及海外固井的需求，在确保工具质量及可靠性的基础上，加强对工具现场应用的支持与跟踪，具有很强的成本及技术服务优势。

1.3.2 特殊固井工具及附件

近年来，加强了对特殊固井工具及附件的研制与开发，如保证套管居中的工具，主要包括各种刚性扶正器、半刚性扶正器，各种弹性扶正器及整体式扶正器，树脂扶正器、螺旋扶正器、变径扶正器等；保证套管安全下入的工具，如旋转下套管工具、划眼引鞋、旋转引鞋、漂浮接箍等；其他固井工具主要包括免钻分级箍、金属密封分级箍、高压尾管悬挂器、膨胀式尾管悬挂器、半程固井工具、免钻盲板、耐冲蚀浮箍、振动固井工具等。

1.4 固井装备方面

1.4.1 固井装备实现更新换代

中国石油钻探企业固井装备水平（水泥车、干混及批混装置）“十二五”期间得到进一步提高，水泥车实现更新换代。目前水泥浆自动混拌、密度自动控制、连续批量混合系统得到普遍应用。固井装备水平的进一步提升，有效保障了深井及复杂井固井施工安全及施工质量。

1.4.2 固井质量智能化控制技术系统

固井质量智能化控制系统包括仿真模拟模块、在线监测模块、智能控制模块、软件控制模块等，固井时可以实现设计与监测相结合。该系统原理样机正在组装，目前已取得初步进展。

1.5 固井技术基础理论研究领域

1.5.1 水泥环密封完整性分析及评价研究

针对天然气、储气库、页岩气井固井后产生的环空带压及水泥环能否保障密封完整性的问题，研究了水泥石力学特性，建立了油井水泥石测试平台，对抗压强度、弹性模量、泊松比等力学性能形成了规范化的评价方法；初步建立了水泥环完整性分析模型，形成了定量化的评价方法，开发了密封完整性分析软件；初步提出了水泥石密封破坏准则，为水泥石改性、水泥浆体系设计及保证水泥环的密封提供了理论指导。

1.5.2 紧密堆积模型设计及水泥浆技术研究

紧密堆积优化水泥浆技术是当今国内外固井研究的一个热点问题，近年来针对紧密堆积理论及增强材料开发方面，分析了水泥石微观机理，给出了刚性体和脆性体的紧密堆积模型设计，对紧密堆积水泥浆体系的堆积率进行了理论设计。紧密堆积理论的应用，为优化低密度及高密度水泥浆的综合性能、开发高性能韧性膨胀水泥提供了理论指导。

1.5.3 水泥石增韧改性技术研究

针对页岩气、致密油气、储气库固井技术问题，建立了井筒条件下水泥环受力模型，初步提出了水泥环密封失效破坏机理，提出了水泥石力学特性评价方法，开发了系列增韧材料，形成了适应不同井下环境的高抗压强度、低弹性模量韧性水泥，为保证水泥环在长期交变应力下保持力学完整性提供了保障。

1.5.4 提高顶替效率理论及模型研究

提高顶替效率是保证水泥环密封及安全施工的前提，“十二五”期间，完善了顶替效率理论模型，建立了一维及三维顶替效率数值计算模型，初步实现泥饼冲刷及顶替流动过程中的数值模拟，并编制了顶替效率分析软件，实现了环空中水泥浆的流速分布云图展示、流动过程动态模拟、全井段滞留钻井液和顶替效率分布情况、任意井深处泥饼可冲刷概率分析等功能，为提高顶替效率固井工艺参数设计及优化提供了依据。

2 中国石油固井技术“十三五”面临的 主要挑战

2.1 投资压缩，工作量减少，技术竞争加剧

受全球宏观经济的影响，油气价格大幅度下降。中国石油坚持“有质量、有效益、可持续”的发展方针，严控投资回报标准，缩减投资总量，固井工作量明显缩减。固井技术服务市场供大于求的格局已经形成，竞争更加激励。受地缘政治冲突加剧、部分产油国政策调整及国际市场经营环境不确定性增加等因素的影响，海外固井技术业务竞争加剧且风险加大，经营环境不确定性增大。

2.2 勘探开发对固井提出了更高更严苛的要求

当前油气勘探开发面对资源品质劣质化、油气目标复杂化、安全环保严格化等严峻挑战。国内待开发油气资源主要集中于低渗透、深层、海洋、非常规油气藏等。资源品质越差，对固井技术的要求越高，面对“深、低、海、非”勘探开发新形势，固井技术面临新挑战。

油气勘探开发对象复杂化，井深不断增加（表1），固井老问题（高温、高压、窄密度窗口）尚未全部解决，技术新挑战（大温差、大压差）不断出现，水泥环封隔质量要求越来越高，井的寿命周期要求长（如储气库井、页岩气井、天然气井等），对固井技术和施工能力提出了更高要求。大温差、大压差等苛刻条件井的密封、结构、腐蚀完整性问题，带来环境及安全隐患，油井管腐蚀失效及环空带压问题亟需从机理、材料、工艺等多方面着手研究综合解决。

表1 中国石油深层复杂地层分布简况

2.3 固井技术需要进一步提升技术水平和核心竞 争力

固井作为钻完井过程中最重要的一个环节，经过多年攻关，技术虽取得较大进步，但离目前勘探开发的需求还有一定距离，“疑难井、复杂井、深井超深井、高压气井”固井质量保证困难，应对复杂地层和复杂井况的技术手段、技术储备不足；特色水泥浆及外加剂、固井工具、多功能水泥浆体系的研究速度需要加快，水泥石改性及长期密封性等方面的研究工作需要深入。随着天然气、页岩气、致密气井钻井数量的增多，以及开采时间延长， “水平井+体积压裂”高效开发模式的推广，部分井环空气窜或环空带压问题突出，增加了安全隐患。

3 对固井技术研发工作的建议

根据中国石油“十三五”发展规划，到2020年，建设世界一流综合性国际能源公司的战略将迈上新台阶。勘探坚持油气并重、常非并举；开发突出质量效益、统筹老区新区，保持原油稳产、天然气持续上产。油气当量达到3×108t，海外油气权益产量超过1/3。

为保证油气增储上产的需要，“十三五”期间油气勘探开发的对象会日益复杂，高压油气井、高含H2S井及高含CO2井、深井、超深井以及复杂结构深井、非常规油气资源井、复杂调整井等也越来越多，难度越来越大，对固井质量的要求越来越高[4]。多种复杂并存井的固井一次作业成功率、优质率有待进一步提高，疑难井、复杂井固井技术水平需要持续提升。

在新的形势下，增强服务保障能力和提高自身竞争力，是固井当前和今后一段时间发展的主题；为油气勘探开发提供高质量的固井技术服务与保障是固井的首要任务；积极适应低油价的新形势，坚持低成本发展战略，加强管理，降本增效，深挖潜力，实现效益最大化是固井生产经营的主要目标。

中国石油固井技术要想进一步创新发展，必须解决制约其发展的技术瓶颈问题，为此：

首先要打造一支多学科结合稳定的攻坚啃硬创新型人才队伍，创建一流的研发实验室；

二是创建固井技术研究、服务与支撑中心，持续进行攻关研究，力争在固井技术基础理论、新工艺、新工具、新材料的研发等方面实现新突破；

三要做硬成果，做深研究，做强支持，做强做专软硬件，做好技术服务，针对中国石油固井难题，瞄准世界水平，潜心研究，刻苦攻关，不断积累，加强创新，才能开创“十三五”固井工作的新局面[5]。

[1] 齐奉忠,杜建平,魏群宝.固井材料技术新进展及研究方向.[J].石油科技论坛,2015,34(4):45-48. Qi Fengzhong, Du Jianping, Wei Qunbao. New development and research area of cementing material and technology. Oil Forum, 2015, 34(4): 45-48.

[2] 刘伟,何龙,李文生,等. 页岩气水平井固井难点及对策[J].天然气技术与经济,2016,(4):31-32+52. Liu Wei, He Long, Li Wensheng, et al. Difficulties in shalegas horizontal- well cementing and their Countermeasures[J]. Natural Gas Technology and Economy,2016,10(4):31-32+52.

[3] 齐奉忠,杨成颉,刘子帅,等.提高复杂油气井固井质量技术研究——保证水泥环长期密封性的技术措施[J].石油科技论坛,2013,32(1):19-22. Qi Fengzhong, Yang Chengjie, Liu Zishuai, et al. Improve cementing quality of complicated oil and gas wells-ensure long-term sealing performance of cement sheath. Oil Forum, 2013, 32(1): 19-22.

[4] 刘硕琼,齐奉忠.中国石油固井面临的挑战及攻关方向[J].石油钻探技术,2013,41(6):6-11. Liu Shuoqiong, Qi Fengzhong. Challenges and development trends of cementing technology in CNPC[J]. Petroleum Drilling Techniques,2013,41(6):6-11.

[5] 齐奉忠,刘硕琼,沈吉云,等.中国石油固井技术进展及面临的问题[J].石油科技论坛,2013,32(4):5-8. Qi Fengzhong, Liu Shuoqiong, Shen Jiyun, et al. Problem facing CNPC well cementing technological development. Oil Forum, 2013, 32(4): 5-8.

Suggestions on CNPC Cementing Technological Development

Qi Fengzhong, Liu Shuoqiong, Shen Jieyun
(CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206, China)

Based on the technological research during the “12thFive-year Plan Period”, CNPC has made a significant progress in cementing technological areas, such as long cementing section well with a large temperature differential, deep-layer complicated natural gas well, shale gas well and gas storage well. Displacement efficiency is also improved substantially at the same time. Good results have been achieved in field application of cementing materials, such as hightemperature resistant cement slurry, large temperature differential cement slurry, flexible cement, phosphate cement, and self-healed cement. Conventional cementing tools become increasingly mature while breakthroughs are made in special cementing tools. Cementing equipment is also modernized with the progress in intelligent technology for cementing quality control. Cementing theoretical research is enhanced in the areas of cement sheath sealing integrity and set cement toughness modification mechanism. The cementing sector will face a series of new challenges in the “13thFive-year Plan Period”owing to the influences of such factors as the increasingly complicated targets for oil and gas exploration and development, low oil prices, less workload and technological competition. It is necessary to improve technological creativeness and core competitiveness. The sustainable efforts research work should be focused on complicated deep well and super-deep well, complicated natural gas well, complicated adjustment well, non-conventional oil and gas well, and wellbore sealing integrity, providing more effective technological support for oil and gas exploration and development.

cementing, cementing of natural gas well, cement slurry, additive, cementing tools

10.3969/j.issn.1002-302x.2017.01.005

TE256

A

2017-01-15）

国家科技重大专项“深井超深井优质钻井液与固井完井技术研究”（编号：2016ZX05020-004）、中国石油天然气集团公司科研项目“深层与复杂地层钻完井新技术新方法研究”（编号：2016A-3900）、中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“地下储气库重大关键技术研究与应用”（编号：2015E-4000）部分研究成果。

齐奉忠，1970年生，1994年毕业于西南石油学院化学工程专业，硕士，高级工程师，长期从事固井完井技术研究与现场服务工作。E-mail：qfz69dri@cnpc.com.cn