国内外固井技术发展历程与研究方向

齐奉忠 冯宇思 韩 琴

中国石油集团工程技术研究院有限公司

固井是较独立的系统工程，具有作业时间短、工序多、技术性强，以及隐蔽性、一次性、风险大等特点。固井质量关系到油气田的合理开发、后续井下作业的顺利进行，是油气井的“百年大计”[1]。固井的主要目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水层，所要解决的中心问题是如何提高井壁与套管间水泥环的密封质量。固井技术为多学科研究应用，涉及地质、石油、机械、化学、流体力学和电子等。水泥浆固井最早使用于1903年，目的是封堵油层上部的水层；1910年，A.A.Perkins在加利福尼亚油田使用双胶塞固井，发展完善了这项技术。经过100多年的研究与应用，固井技术在固井工艺、水泥及外加剂、固井工具及附件、固井装备等方面均取得较快发展，形成了适应不同地质与钻井条件的配套技术，基本满足了不同条件下的固井需求。随着勘探开发的深入和钻井技术的发展，深井超深井和特殊井的持续增加，固井技术也在不断完善和发展。

1 国外固井技术发展历程

现代固井技术起源于1919年，这一年哈里伯顿（Halliburton）在美国俄克拉何马州成立了新方法油井固井公司（New Method Oil Well Cementing Co.）。现代固井技术的标志是固井作业独立于钻井泵的泵注系统；发展路径是借鉴建筑行业，研制固井外加剂体系及固井设备、仪器仪表，制定实施API标准。国外固井技术发展经历了4个阶段。

1.1 概念化阶段（1908—1938年）

该阶段固井从埋管到注水泥形成了独立的工艺与技术；由单胶塞发展到双胶塞顶替，从使用专用管材、专用水泥，到进行固井质量检测与水泥浆室内实验，发展形成了套管注水泥工艺。

1.2 发展阶段（1939—1970年）

该阶段从常规套管注水泥发展形成了多种注水泥工艺方法（如分级固井、尾管固井、内插法固井、挤水泥、打水泥塞等）；管材及固井工具配套化（如不同钢级及壁厚的套管，研制了系列固井工具及附件，如浮箍、扶正器、胶塞等）；水泥浆体系及隔离液材料系列化（开发了不同系列固井水泥和配套外加剂，开发了适应不同井况、提高顶替效率的前置液等材料）；对固井机理进行了初步探索（主要指固井过程中的顶替机理）。

1.3 科学化阶段（1971—2012年）

该阶段主要是在先进的固井设备、工具、工艺和特殊的材料技术方面取得显著进步。经过长期研究和技术积累，实现了固井工艺定型、工具及材料条例化、设备专门化、技术理论化、设计科学化。（1）顶替机理研究方面，开发了系列冲洗液和隔离液及Opticem软件，实现了动态模拟固井施工过程；（2）在防窜机理研究方面，通过对油、气、水防窜机理的研究，开发了系列防窜外加剂和防窜水泥浆体系，研制了配套防窜工具和防窜评价仪器；（3）水泥环密封机理研究方面，从水泥浆体系、水泥石性能要求、固井施工等方面提出了全面的技术措施，如提供Welllife服务，确保环空密封及预测水泥环密封失效；（4）材料技术研究方面，主要开发了专用水泥、系列外加剂及提高钻井液顶替效率、保证水泥浆综合性能的材料；（5）设计与评价技术方面，主要是应用计算机进行仿真设计、精密机电一体化、实验分析仪器、测井评价方法及仪器技术的研究。

1.4 自动化、智能化、信息化发展阶段（2012年 以后）

该阶段主要技术进展包括：3D固井施工模拟技术，能够清晰模拟井下情况，对提高顶替效率提供技术指导；iCem施工预测分析模拟软件，可模拟水泥返高、顶替效率等；eRedBook移动APP；哈里伯顿公司推出新一代深水固井系统“优势一号”（HCS Advantage One），该系统软硬件结合，能够同时监测、控制约300个技术参数，作业数据可送达世界各地（图1）；全生命周期固井成套技术、精细化及一体化固井技术研究，向智能化、信息化及大数据应用等方向逐步迈进。

图1 哈里伯顿新一代深水固井系统HCS AdvantageOne

2 国内固井技术发展历程

随着我国石油工业的不断发展，勘探开发水平不断提高，固井技术的发展基本与钻井技术同步，目前已形成一支装备精良、业务熟练、技术先进的技术研究与服务队伍，市场规模快速发展，技术水平持续提升，部分技术实现由跟跑、并跑直至实现领跑，为石油天然气经济安全高效勘探开发提供了坚强的工程技术保障，但总体技术较国际高端尚有差距。国内固井技术发展也经历了4个阶段。

2.1 学习模仿阶段（1950—1980年）

国内油气井固井技术的研究开始于20世纪50年代，最早应用于玉门、克拉玛依、大庆和胜利等油田。早期没有专门的固井公司，50年代末才相继成立了固井专业队伍（固井大队）。当时尚处于石油工业发展初期，固井技术基本是在参考苏联的技术模式下探索发展。

2.2 自主研发阶段（1981—2000年）

该阶段固井技术和装备取得了长足发展，固井装

备及工具研制方面，主要研制了气动灰罐车、固井管汇车、供水车、中功率及大功率水泥车及各种固井新工具[2]；固井技术方面，主要在提高顶替效率方法、新固井工艺、水泥浆体系、固井外加剂开发等方面开展了大量研究工作。通过技术攻关及产业化应用，解决了油田固井多项技术难题，技术成果在油田现场中广泛应用，为油气勘探开发及增储上产提供支持。

2.3 技术突破阶段（2001—2015年）

该阶段固井主要在工艺、装备、水泥浆体系、固井外加剂、工具附件、软件等方面取得进展，针对复杂井形成了配套技术。新技术不但能解决漏失井、高压油气井、长封固段井、大位移井、水平井、小间隙井、盐膏层井等复杂井的固井问题，也在满足油气勘探开发要求、实现油气层保护和增产增效中发挥了更大的作用。装备技术方面，从最初的喷射混合技术发展到全自动混浆技术，从最初的机械式设备发展到电控化、智能化设备。

2.4 创新发展阶段（2015年以后）

近年来我国在深井超深井、水平井及大位移井、大温差长封固段一次上返固井、储气库及页岩气固井方面获得突破；开发了大温差、抗高温及韧性膨胀水泥，外加剂抗温达200℃[3]，产品全部实现国产化；常规固井完井工具成熟，目前正研制204℃/105MPa固井系列工具。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，部分设备已达到国际先进水平。

3 国外固井技术发展新趋势

2010年，墨西哥湾BP公司海上钻井平台发生了井喷着火爆炸事故。事故发生在固井后替海水作业中，固井失败是直接原因。该事件引发了国际上对固井作业的特殊性、重要性日益重视[4]。目前固井技术发展趋势：总体上向技术配套、系列化、个性化、一体化的方向发展；从注重水泥浆体系、外加剂研究向关注水泥石性能的方向发展（表1）；固井质量向保证长期封隔质量及井筒密封的方向发展；固井管理及施工向加强过程控制、管理精细化的方向发展。

3.1 日益重视井筒密封完整性

井筒密封完整性是保障油气井长期安全运行的关键。一次成功的固井作业不仅需要顶替到位、胶结良好，还要求水泥浆固化后，水泥环具有在井眼整个生命周期中维持层间封隔的能力，已从井眼的生命周期上来认识和要求固井工程[5]。为保证水泥环的密封完整性，国际上开发应力分析软件，研制柔性水泥，并结合提高顶替效率等措施保证环空水泥环的长期密封。

表1 过去和现在国外对水泥性能关注的变化对比

3.2 长寿命固井成为追求目标

一些公司提出了“长效同井”的理念，即实现全井生命周期内的有效封隔，为油气井长期安全生产提供技术保障。长寿命固井成为甲乙双方共同追求的目标。美国贝克休斯公司的长效固井体系理念主要包括4个方面：（1）实现全井生命周期内的有效封隔；（2）必须结合良好的设计和施工；（3）必须根据不同井况进行设计；（4）水泥浆体系的性能具有可调节性，如柔韧性、抗腐蚀性、防气窜性等，能满足复杂井况下安全固井及密封要求。

3.3 “一体化”固井理念被认可

斯伦贝谢公司推广“一体化”固井服务，采用固井优化软件进行固井设计，以提高设计的针对性；开发系列配套的水泥浆体系，以满足不同井况下的固井要求；固井管理实现从粗放化向精细化流程管理的理念转变，注重细节，加强过程管理。

4 我国固井技术存在的问题与差距

4.1 目前存在的问题

国内油气资源集中于“深、低、非、老”领域，井深更深（跨越8000m）、水平段更长（迈向3000m），地质条件日益苛刻、工程技术难度日益加剧，给固井工程带来更大的技术挑战。目前我国固井技术主要存在的问题包括：深井超深井固井技术仍需进一步完善；高温超高温固井技术水泥浆、隔离液抗温性及敏感性需进一步提高；采用大型体积压裂方式开发非常规油气井水泥环长期密封性需要提高；压力系统复杂老油田调整井及天然气井固井层间有效封隔能力有待提高；疑难井、多种复杂并存井固井“有办法，无把握”；火烧油层、蒸汽驱超高温条件下稠油热采井、油页岩等固井水泥石抗温不足；地热井、干热岩、水合物固井刚起步。

4.2 与国外相比存在的差距

我国固井技与国外相比，差距主要反映在以下7个方面：

一是固井装备。固井装备正朝着自动化、智能化、大功率、宽密度控制及形式多样化的方向发展。经过30多年的发展，目前国内固井装备正在全面替代国外产品，并且每年有数十台装备出口。但与国外固井装备相比，国内的固井装备的自动化、智能化、信息化程度不够。

全球海上油气开发重点逐步由浅海走向深水。深水地区的钻采作业对作业装备提出了更高标准和要求。目前全球深水固井装备市场几乎被哈里伯顿、斯伦贝谢、贝克休斯-BJ三大油田服务公司所垄断，这3家公司在深水固井作业方面，拥有世界顶尖水平的固井技术和固井装备。

中石化石油机械股份有限公司与中海油田服务股份有限公司共同合作开发的我国首台大功率电驱海洋固井装备成功通过工厂模拟固井测试。

二是固井外加剂及水泥浆体系。该领域我国在现场实际应用、个性化设计方面具有技术优势。目前研究朝着广谱化、细致化、密度范围更宽、适应温度更高、应用领域更广的方向发展。在这些发展领域以及油井水泥、减轻材料、加重材料等基础材料上，我们与国外差距较大[6]。

三是固井工具及附件。与国外固井工具相比（204℃/105MPa固井已成熟，正研制260℃/175MPa），国内常规固井工具及附件的个性化、系列化程度不够，特殊固井工具与国外差距较大，适应深井超深井的固井工具的可靠性还需要提高。

四是固井实验仪器。目前国内高温高压深井超深井固井试验用仪器主要依靠国外进口，国产仪器的抗温及耐高压性能尚不能满足试验要求。

五是全生命周期固井研究。国外全生命周期固井研究与应用已有十多年历史，开发了预测软件、系列水泥浆体系、一体化固井技术及精细化固井管理施工流程，国内正对此深入研究，目前尚处于定性化阶段。

六是固井自动化、智能化、信息化。国外在固井自动化、智能化、信息化技术方面已形成了系列的软件、固井装备及配套的技术，国内目前仅初具雏形，存在较大差距。

七是海洋固井技术。国外海洋固井拥有成熟的装备、技术和水泥浆体系，如哈里伯顿的FlowStop技术、斯伦贝谢的DeepCRETE技术、贝克休斯的DeepSet和DeepLite技术。中国海油进行了系统研究，并成功在2437m的南海深水成功进行了固井施工。

5 我国固井技术发展建议

据预测，到2035年中国将占世界能源消费总量的26%，占全球净增长量的35%。到2035年，油气占我国一次能源消费结构的比例为32%。国内目前努力实现增储上产，大力推进天然气跨越式发展，力争在2035年前将石油、天然气对外依存度分别控制在70%和50%以下[7]。

未来5～10年，甚至更长一段时间内，国内勘探开发的主要资源领域依然为“深（深层）、低（低渗透）、非（非常规）、老（老油田）”，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。固井技术需进一步提升技术创新力及核心竞争力，在复杂深井固井、低渗透与非常规油气资源固井、老油田固井等方面开展深入持续的研究工作[8]。

（1）针对深井固井领域，需要开展以下研究工作：①大体量注替作业装备；②自动化、智能化、信息化固井作业装备；③耐高温高压高可靠性尾管悬挂器等固井工具；④抗200℃以上高性能固井材料及水泥浆技术；⑤复杂地质条件、复杂生产工况的固井长期密封机理与技术体系；⑥窄密度窗口、小间隙、高压气井、高压盐层（控压）固井技术。

（2）针对低渗透与非常规固井领域，需要开展以下研究工作：①2000m以上水平井套管安全下入及居中技术；②匹配大型体积压裂的套管安全使用与固井水泥环长期密封技术；③长水平井高效顶替技术与高性能固井胶塞；④高泵压固井水泥车与自主化高压水泥头。

（3）针对老油田固井领域，需要开展以下研究工作：①老区调整井不停注固井技术；②调整井固井管外窜流预防技术与后期窜流治理技术；③侧钻水平井固井技术；④抗350℃高温硅酸盐基固井材料与水泥浆技术。

随着油气勘探开发工作的不断深入，钻井及开发新技术的发展，对固井技术的要求也越来越高，我们必须抓住有利时机积极推动固井技术创新发展，推动固井技术实现转型升级，把核心技术牢牢掌握在自己手里，力争尽快赶上国际先进水平，为油气及其他新能源的勘探开发提供工程技术保障。