李哲　(中石化石油工程機械股份有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

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現(xiàn)代固井裝備發(fā)展概述

李哲(中石化石油工程機械股份有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

[摘要]經(jīng)過30多年發(fā)展，我國固井裝備的研制從初期的仿制到關(guān)鍵技術(shù)引進、自主創(chuàng)新開發(fā)，發(fā)展到今天，已經(jīng)與國際水平同步。隨著設(shè)計、制造和控制新技術(shù)的研究應用，大型固井裝備的配套能力逐漸提高，大排量、高壓力條件下的多臺固井裝備協(xié)同作業(yè)成為現(xiàn)實。面對近年來急劇增長的市場需求和國外公司潛在的競爭態(tài)勢，國內(nèi)固井裝備制造業(yè)需要深化研究，為產(chǎn)業(yè)提升創(chuàng)造條件。介紹了國內(nèi)外固井裝備研發(fā)、制造技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合工程需求，總結(jié)歸納了國內(nèi)固井裝備實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的突破點，指出了固井裝備的發(fā)展方向，描繪了固井裝備的發(fā)展藍圖，為固井裝備新技術(shù)的開發(fā)、應用打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]固井裝備; 研發(fā)技術(shù);制造技術(shù);發(fā)展方向

1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

固井裝備的作用是在特定的高壓情況下，將設(shè)定密度的泥漿以一定速率向井底泵入要求的體積。先進的固井裝備是提高固井質(zhì)量的重要保證。固井技術(shù)的發(fā)展，對固井裝備提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在：要求固井裝備具備高壓力、大排量，能實現(xiàn)水泥漿密度的精確控制，減少固井作業(yè)過程中產(chǎn)生的氣泡對水泥固化后機體的割裂，提高固井質(zhì)量，保證固井的可靠性。

國外生產(chǎn)固井裝備的國家以美國、加拿大為主，在油田固井裝備制造技術(shù)方面，美國企業(yè)處于世界領(lǐng)先地位[1,2]。目前，哈里伯頓(Halliburton)、斯倫貝謝(Schlumberger)、TEM公司(Tulsa Equipment Manufacturing, Inc.)、BJ公司等大型油服公司引導著固井裝備的發(fā)展，在關(guān)鍵專利技術(shù)等方面占有絕對領(lǐng)先地位。同時，他們利用裝備配套全，現(xiàn)場經(jīng)驗豐富和數(shù)據(jù)詳實等優(yōu)勢，著力打造為用戶提供整體化解決方案，并相應設(shè)計出了動態(tài)模擬和設(shè)計軟件，能夠全程模擬鉆井和固井過程，從而科學的進行質(zhì)量評估并進行改進。

圖1　GJC35-16型固井車

圖2　GJC50-30雙機雙泵固井車

20世紀80年代初以前，我國的固井裝備主要依賴進口，400型水泥車是使用最廣泛的固井裝備，從羅馬尼亞進口量最大，有些至今仍在服役。90年代以來，隨著國產(chǎn)配備有高能混合裝置的二次混漿固井裝備GJC35-16單機單泵固井車(圖1)和GJC50-30雙機雙泵固井車(圖2)的研制成功，不僅逐漸取代了400型水泥車而成為主流機型，而且使我國油田對進口裝備的依賴程度大幅度降低。大功率、高壓力、大排量、具有計算機控制自動混漿功能的GJC40-17單機單泵固井車和GJC70-25、GJC100-30雙機雙泵固井車的研制成功并在國內(nèi)油田的廣泛使用，標志著我國固井裝備的研制水平已經(jīng)進入到國際先進行列。國內(nèi)固井裝備經(jīng)過30多年的發(fā)展, 從初期全部裝備進口到關(guān)鍵技術(shù)引進,逐步建立了相對成型的技術(shù)研發(fā)團隊和良好的固井研發(fā)平臺，形成了產(chǎn)、學、研、用一體化的技術(shù)支撐體系。

現(xiàn)階段，國外油服公司固井裝備在國內(nèi)的市場份額逐年減小，國產(chǎn)裝備正在全面替代進口產(chǎn)品。生產(chǎn)廠家以中石化石油機械股份有限公司第四機械廠和四機賽瓦為主，生產(chǎn)具有自動混漿功能的雙機雙泵和單機單泵固井設(shè)備、拖掛式固井設(shè)備、撬裝固井設(shè)備及批量混漿設(shè)備，壓力范圍從35～140MPa，排量范圍從1300～4200L/min，年生產(chǎn)能力在300臺套以上，在滿足國內(nèi)需求的基礎(chǔ)上，每年大約有數(shù)十臺套的裝備出口。

2需求分析

圖3　斯倫貝謝深水固井撬

圖4　泡沫水泥固井裝備

隨著勘探程度的不斷深入，以往地理條件較好地區(qū)的油氣開采難度加大，常規(guī)油氣田的發(fā)現(xiàn)也在逐漸減少，新發(fā)現(xiàn)油田的規(guī)模總體呈變小趨勢，而新增儲量越來越多地來自深水、極地等開采難度更大的地區(qū)，國內(nèi)固井裝備實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，需從以下幾個方面進行突破:

1)深水固井作業(yè)。與常規(guī)固井相比，深水固井(特別是表層段)常面臨低溫、淺層水一氣流動、松軟地層、異常高壓砂層等問題，以及水泥漿密度低、密度“窗口”窄、井眼環(huán)空間隙大、井眼不規(guī)則、頂替效率差等因素的影響[3～5]。為解決這些問題，常使用超大功率固井設(shè)備，利用超低密度泡沫固井封隔地層，提高固井質(zhì)量，有資料顯示斯倫貝謝(Schlumberger)在墨西哥灣深水區(qū)域注水泥漿固井作業(yè)時，已經(jīng)在使用單撬水(圖3)功率在3450hp(1hp=0.735kW)固井設(shè)備，水泥漿最低密度在0.9g/ml左右。目前，深水鉆井在國內(nèi)已經(jīng)起步，泡沫固井[6,7](圖4)和大功率固井裝備(圖5)的研制已迫在眉睫。

2)頁巖氣開發(fā)固井。我國頁巖氣開發(fā)正處于快速發(fā)展階段，頁巖含泥質(zhì)較多，具有易膨脹、易破碎的特點，固井作業(yè)過程中，漿柱產(chǎn)生的正壓差要比鉆井過程中的壓差大得多，且要求水泥漿返至地面，封固段長，頂替后期易出現(xiàn)漏失[8～10]。為降低漿柱正壓差，避免漏失，使用超低密度水泥漿進行固井作業(yè)勢在必行。

圖5　SGJ1000-35型大功率固井車

同時，封固段長的特點導致頁巖氣固井對大功率固井泵的需求增加，如涪陵頁巖氣長封固段固井作業(yè)壓力一般在20～30MPa，同時排量要求在1.2～1.8m3/min，這種工況下固井泵的水功率要在900hp左右，現(xiàn)有固井泵已經(jīng)不能滿足要求，需開發(fā)大功率固井裝備。

圖6　沙漠固井車

圖7　低溫固井車

圖8　小型化固井車

3)高壓鹽層氣井固井。在川東北地區(qū)的河壩、元壩和通南巴區(qū)塊、塔里木油田的庫車等區(qū)域，由于鹽層發(fā)育，存在氣層壓力高、溫度高、氣竄危險性大等特點，固井作業(yè)時為保持井眼壓力平衡，井內(nèi)液注壓力必須始終與地層壓力保持平衡，或略高于地層壓力，因此時常需要注入密度大于2.7g/ml的水泥漿，而現(xiàn)有的固井裝備混漿密度范圍僅在1～2.7g/ml，一旦密度超過2～7g/ml，動力分配和控制系統(tǒng)都存在問題，高壓井作業(yè)日益增加，開發(fā)適應高密度作業(yè)的固井裝備非常有必要。

4)極端環(huán)境固井。隨著世界油氣資源易開發(fā)區(qū)域的逐步減少以及技術(shù)的發(fā)展，使得深海、雨林、孤島、北極圈極寒區(qū)(工作溫度-60℃)、沼澤灘涂區(qū)、沙漠極熱區(qū)(工作溫度+55℃)等難勘探開發(fā)區(qū)域的作業(yè)日益增多。針對這些區(qū)域開發(fā)出具有極低溫防護、小型化、模塊化、極端路況等特點的固井裝備(圖6、圖7、圖8)顯得尤為必要和迫切。

5)枯竭氣藏儲氣庫井固井。儲氣庫工程是我國戰(zhàn)略儲備的重大舉措，枯竭油氣藏儲層存在高孔、高滲、壓力虧空嚴重等問題,在儲氣庫的各項工程作業(yè)中，固井質(zhì)量與儲氣庫的壽命及長期安全運行緊密相關(guān)，井筒注采密封性是保證儲氣庫壽命及安全運行的關(guān)鍵。儲氣庫井對一次固井質(zhì)量要求高，對井筒密封性(管串、水泥環(huán))要求高[11,12]。固井作業(yè)要求套管全程封固,特別是生產(chǎn)套管,既要保證儲層井段的固井質(zhì)量,又要將水泥返至井口，因此對固井裝備的穩(wěn)定性、可靠性和功率儲備提出了新的要求，有必要加強儲氣庫固井裝備專業(yè)化的研發(fā)。

6)復雜天然氣井及酸性氣藏固井。隨著天然氣井勘探開發(fā)工作的不斷深入，井下地質(zhì)環(huán)境也越來越復雜，固井后環(huán)空帶壓問題也越來越突出，如川渝地區(qū)、塔里木油田、松遼盆地深層天然氣、土庫曼斯坦的阿姆河右岸氣田等[13,14]。H2S和CO2氣體容易產(chǎn)生壓力波動，另外儲層高含硫化氫等酸性介質(zhì)，對固井裝備及工具具有腐蝕作用。因此，需解決固井裝備泵送時壓力波動和主要部件的耐腐蝕問題。

3新型固井裝備發(fā)展方向

1)更高的自動化、智能化水平。固井自動化包括固井裝備的自動化和井下固井作業(yè)的自動化，前者主要指成套固井裝備在接口、通信、操控系統(tǒng)和指揮調(diào)度系統(tǒng)的自動化[15,16]，后者主要指井下固井信息采集及反饋、監(jiān)控的自動化。

建立固井專家數(shù)據(jù)庫和技術(shù)軟件平臺系統(tǒng)(圖9)，通過實時采集、遠程傳輸、數(shù)據(jù)管理、故障診斷和反饋執(zhí)行，實現(xiàn)各裝備間協(xié)同作業(yè)的智能化控制新模式。

更高的自動化、智能化水平，可減少人工、提高作業(yè)精確性，并提高生產(chǎn)的安全系數(shù)。隨著計算機、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應用，智能化固井作業(yè)正在逐步成為現(xiàn)實，對于人類足跡無法到達的極端環(huán)境區(qū)域，“無人值守”固井智能化作業(yè)成為新的需求[17,18]。因此不斷提高固井裝備自動化、智能化水平是固井作業(yè)裝備發(fā)展的必然趨勢。

圖9　固井裝備遠程智能化控制指揮平臺

2)更大功率注水泥裝備。由于超深井及復雜地層固井作業(yè)出現(xiàn)的頻次越來越多[19,20]，尤其是深水固井作業(yè)以及超高壓氣井作業(yè)對固井作業(yè)時高壓力、大排量、長時間、持續(xù)不間斷作業(yè)需要，將助推大功率或者超大功率注水泥裝備功率的快速發(fā)展。

采用1500～2000hp大功率柴油機或電機驅(qū)動的傳動模式，總儲備功率達到2000～3000hp的功能集成模塊，將逐步取代現(xiàn)有的單機或雙機固井設(shè)備。

3)更寬的固井水泥漿密度范圍。為了降低固井環(huán)空水泥漿段的液柱壓力，以便解決低壓易漏油層固井漏失時，需要通過人工制泡、漂珠等方式設(shè)法降低泥漿的密度；或者解決高壓力氣井氣竄危險性大等難題時，不斷通過提高泥漿密度的方法來平衡地層壓力。

現(xiàn)有固井裝備制備水泥漿密度的范圍為1～2.7g/ml，已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代化固井作業(yè)的需求，因此，拓寬固井水泥漿密度范圍，開發(fā)適應高密度、低密度作業(yè)的固井裝備非常有必要。

4結(jié)語

1)經(jīng)過近年來的技術(shù)攻關(guān)，國內(nèi)在固井裝備核心技術(shù)方面取得了較大突破，已形成了產(chǎn)、學、研、用一體化研發(fā)體系，裝備制造方面具備系列化、多樣化、規(guī)模化研制能力。

2)油氣勘探的不斷深入及難度加大，為固井裝備新技術(shù)的開發(fā)應用及高端固井裝備的研制提供了平臺。

3)隨著新技術(shù)及新工藝的應用，固井裝備正朝著自動化、智能化、大功率、寬密度控制及型式多樣化方向發(fā)展。

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[編輯]洪云飛

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)01-0065-05

[中圖分類號]TE925

[作者簡介]李哲(1981-)，男,工程師，現(xiàn)主要從事固壓裝備設(shè)計方面的研究工作；E-mail:13972151151@163.com。

[收稿日期]2015-10-27

[引著格式]李哲.現(xiàn)代固井裝備發(fā)展概述[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(1)：65～69.