齊奉忠 馮宇思 韓 琴

中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司

固井是較獨立的系統(tǒng)工程，具有作業(yè)時間短、工序多、技術(shù)性強，以及隱蔽性、一次性、風險大等特點。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)的順利進行，是油氣井的“百年大計”[1]。固井的主要目的是保護和支撐油氣井內(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)為多學科研究應(yīng)用，涉及地質(zhì)、石油、機械、化學、流體力學和電子等。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）在美國俄克拉何馬州成立了新方法油井固井公司（New Method Oil Well Cementing Co.）。現(xiàn)代固井技術(shù)的標志是固井作業(yè)獨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，制定實施API標準。國外固井技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了4個階段。

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，到進行固井質(zhì)量檢測與水泥漿室內(nèi)實驗，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）；對固井機理進行了初步探索（主要指固井過程中的頂替機理）。

1.3 科學化階段（1971—2012年）

該階段主要是在先進的固井設(shè)備、工具、工藝和特殊的材料技術(shù)方面取得顯著進步。經(jīng)過長期研究和技術(shù)積累，實現(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)計科學化。（1）頂替機理研究方面，開發(fā)了系列沖洗液和隔離液及Opticem軟件，實現(xiàn)了動態(tài)模擬固井施工過程；（2）在防竄機理研究方面，通過對油、氣、水防竄機理的研究，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價儀器；（3）水泥環(huán)密封機理研究方面，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)計與評價技術(shù)方面，主要是應(yīng)用計算機進行仿真設(shè)計、精密機電一體化、實驗分析儀器、測井評價方法及儀器技術(shù)的研究。

1.4 自動化、智能化、信息化發(fā)展階段（2012年 以后）

該階段主要技術(shù)進展包括：3D固井施工模擬技術(shù)，能夠清晰模擬井下情況，對提高頂替效率提供技術(shù)指導(dǎo)；iCem施工預(yù)測分析模擬軟件，可模擬水泥返高、頂替效率等；eRedBook移動APP；哈里伯頓公司推出新一代深水固井系統(tǒng)“優(yōu)勢一號”（HCS Advantage One），該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，能夠同時監(jiān)測、控制約300個技術(shù)參數(shù)，作業(yè)數(shù)據(jù)可送達世界各地（圖1）；全生命周期固井成套技術(shù)、精細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。

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

2 國內(nèi)固井技術(shù)發(fā)展歷程

隨著我國石油工業(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)先進的技術(shù)研究與服務(wù)隊伍，市場規(guī)模快速發(fā)展，技術(shù)水平持續(xù)提升，部分技術(shù)實現(xiàn)由跟跑、并跑直至實現(xiàn)領(lǐng)跑，為石油天然氣經(jīng)濟安全高效勘探開發(fā)提供了堅強的工程技術(shù)保障，但總體技術(shù)較國際高端尚有差距。國內(nèi)固井技術(shù)發(fā)展也經(jīng)歷了4個階段。

2.1 學習模仿階段（1950—1980年）

國內(nèi)油氣井固井技術(shù)的研究開始于20世紀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)隊伍（固井大隊）。當時尚處于石油工業(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)和裝備取得了長足發(fā)展，固井裝

備及工具研制方面，主要研制了氣動灰罐車、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技術(shù)難題，技術(shù)成果在油田現(xiàn)場中廣泛應(yīng)用，為油氣勘探開發(fā)及增儲上產(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、軟件等方面取得進展，針對復(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、實現(xiàn)油氣層保護和增產(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)展到全自動混漿技術(shù)，從最初的機械式設(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）

近年來我國在深井超深井、水平井及大位移井、大溫差長封固段一次上返固井、儲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200℃[3]，產(chǎn)品全部實現(xiàn)國產(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，部分設(shè)備已達到國際先進水平。

3 國外固井技術(shù)發(fā)展新趨勢

2010年，墨西哥灣BP公司海上鉆井平臺發(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)了國際上對固井作業(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：總體上向技術(shù)配套、系列化、個性化、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過程控制、管理精細化的方向發(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期安全運行的關(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識和要求固井工程[5]。為保證水泥環(huán)的密封完整性，國際上開發(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)的長期密封。

表1 過去和現(xiàn)在國外對水泥性能關(guān)注的變化對比

3.2 長壽命固井成為追求目標

一些公司提出了“長效同井”的理念，即實現(xiàn)全井生命周期內(nèi)的有效封隔，為油氣井長期安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。長壽命固井成為甲乙雙方共同追求的目標。美國貝克休斯公司的長效固井體系理念主要包括4個方面：（1）實現(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)計和施工；（3）必須根據(jù)不同井況進行設(shè)計；（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)化軟件進行固井設(shè)計，以提高設(shè)計的針對性；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；固井管理實現(xiàn)從粗放化向精細化流程管理的理念轉(zhuǎn)變，注重細節(jié)，加強過程管理。

4 我國固井技術(shù)存在的問題與差距

4.1 目前存在的問題

國內(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（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；地熱井、干熱巖、水合物固井剛起步。

4.2 與國外相比存在的差距

我國固井技與國外相比，差距主要反映在以下7個方面：

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

全球海上油氣開發(fā)重點逐步由淺海走向深水。深水地區(qū)的鉆采作業(yè)對作業(yè)裝備提出了更高標準和要求。目前全球深水固井裝備市場幾乎被哈里伯頓、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)的我國首臺大功率電驅(qū)海洋固井裝備成功通過工廠模擬固井測試。

二是固井外加劑及水泥漿體系。該領(lǐng)域我國在現(xiàn)場實際應(yīng)用、個性化設(shè)計方面具有技術(shù)優(yōu)勢。目前研究朝著廣譜化、細致化、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，我們與國外差距較大[6]。

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

四是固井實驗儀器。目前國內(nèi)高溫高壓深井超深井固井試驗用儀器主要依靠國外進口，國產(chǎn)儀器的抗溫及耐高壓性能尚不能滿足試驗要求。

五是全生命周期固井研究。國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)測軟件、系列水泥漿體系、一體化固井技術(shù)及精細化固井管理施工流程，國內(nèi)正對此深入研究，目前尚處于定性化階段。

六是固井自動化、智能化、信息化。國外在固井自動化、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)。中國海油進行了系統(tǒng)研究，并成功在2437m的南海深水成功進行了固井施工。

5 我國固井技術(shù)發(fā)展建議

據(jù)預(yù)測，到2035年中國將占世界能源消費總量的26%，占全球凈增長量的35%。到2035年，油氣占我國一次能源消費結(jié)構(gòu)的比例為32%。國內(nèi)目前努力實現(xiàn)增儲上產(chǎn)，大力推進天然氣跨越式發(fā)展，力爭在2035年前將石油、天然氣對外依存度分別控制在70%和50%以下[7]。

未來5～10年，甚至更長一段時間內(nèi)，國內(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)面對資源品質(zhì)劣質(zhì)化、油氣目標復(fù)雜化、安全環(huán)保嚴格化等嚴峻挑戰(zhàn)。固井技術(shù)需進一步提升技術(shù)創(chuàng)新力及核心競爭力，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)工況的固井長期密封機理與技術(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)長期密封技術(shù)；③長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，對固井技術(shù)的要求也越來越高，我們必須抓住有利時機積極推動固井技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，推動固井技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，把核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里，力爭盡快趕上國際先進水平，為油氣及其他新能源的勘探開發(fā)提供工程技術(shù)保障。