固井技术的现状及发展

1、概述

固井作业是油气井钻井工程中最重要的环节之一，其主要目的是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、增加油气井寿命以及提高油气产量。自1903年开始固井以来经过近100年的努力，国内外固井技术有了很大的的进步。主要表现在:油井水泥的扩充与完善，油井基本水泥由一两种发展到13种；油井水泥外加剂已发展到14大类200多个品种；普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控，注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化方向发展。

复杂的地层固井技术日趋完善，研究开发了适应高压气井、低压易漏失井、多压力系统以及深井超深井高温固井配套技术。小井眼固井、水平井固井、分支井固井和大位移固井等特殊工艺井固井技术；研制开发了尾管悬挂器、双级(多级)注水泥器以及扶正器等； 固井计算机模拟、仿真与监控技术，提高了固井方案设计、现场施工的准确性、针对性和科学性。

2、国内外固井技术进度情况

(1) 油井水泥与外加剂研究

1、基本水泥。

基本水泥增加了酸溶水泥、高细度水泥、波特兰水泥与高炉矿渣混合物、可储存液体水泥和合成树脂水泥。

2、外加剂

应用油井水泥外加剂已成为解决各种复杂固井问题、提高固井质量和保护油气层的主要技术手段。据美国统计，固井外加剂的用量占油田化学剂的38％。油井水泥外加剂主要进展:

• 研制开发了适应更宽温度和密度范围、抗盐和抗高温的高性能降失水剂
• 用于深水固井的特殊外加剂
• 泡沫水泥浆外加剂
• 改善水泥石性能的外加剂
• 满足特殊地质条件下的水泥外加剂

(2) 固井技术

1、CemCRETE固井技术

为解决异常压力固井问题，道威尔—斯伦贝谢公司于1998年底研究开发了CemCRETE技术。该技术基于混凝土水泥浆技术，利用颗粒级配原理，通过优化水泥及外掺料颗粒直径分布(PSD)，优选3种以上不同直径的颗粒，使单位体积内固相颗粒增加，尽量降低水泥浆水灰比，提高水泥石的抗压强度和降低水泥石的孔隙度和渗透率。

CemCRETE固井技术应用密度为1.20g/cm3的低密度水泥浆，24h抗压强度大于14MPa，水泥石的渗透率和孔隙度明显小于常规水泥浆阿曼石油开发公司(PDO)采用密度为2.40g/ cm3的高密度水泥浆技术成功地解决了Sarmad 油田井深为4800m的深井膏盐层的高压固井问题。

2、泡沫固井技术

哈里伯顿公司应用泡沫水泥浆替代常规漂珠低密度水泥浆固井取得了良好的现场应用效果。泡沫水泥浆由净浆、氮气、稳泡剂及水泥浆处理剂组成。国内通过研究，在水泥和配浆水中分别加入两种发泡剂，在混浆时发生化学反应生成氮气，通过稳泡剂使之形成稳定且相互独立的泡沫水泥浆，化学泡沫水泥浆在国内很多油田应用取得了较好的效果。

3、防窜固井技术

人们对环空气(水)窜的形成原因、影响因素、气窜的物理过程、预测方法及防气窜水泥浆体系做了大量的研究工作，先后研究开发了膨胀水泥、延缓胶凝水泥、触变水泥、可压缩水泥和非渗透乳胶水泥等多种防窜水泥浆体系。在防气窜水泥浆性能评价与预测研究方面，国内外有许多评价和预测水泥浆防气窜性能的模式与方法，它们考虑气井气层压力、浆体结构、水泥浆密度、返深等因素。可以有效地指导防气窜固井设计。

4、钻井液转化水泥浆(MTC)固井技术

该项固井技术是指在泥浆中加入一些可水化的材料，使钻井液可在一定条件下转变成具有一定强度的固井液的技术。该技术有利于提高固井质量，尤其是有助于改善第二界面胶结质量，自80年代研究应用以来，一度在固井界引起极大的关注，被认为是传统固井作业的一次革命。淡化了顶替效率及顶替技术。MTC的应用美国在开采了56年的某油田14口井中应用了多功能钻井液技术，结果表明，固井成功率从原来的28％提高到65％，单井成本节约8万美元。 胜利、辽河、滇黔桂、长庆等许多油田已推广应用。

(三) 固井工具

为适应水平井、大位移井固井要求，美国哈里伯顿等公司相继研制开发了滚珠式刚性扶正器、井下启动刚性扶正器、套管漂浮接箍等。为解决漏失层、气层等特殊复杂地层固井问题，美国贝克—休斯公司研制开发了水泥浆膨胀的长裸眼封隔器，可通过水泥浆进行膨胀永久性封隔地层，取代注水泥作业，并能在封隔器上进行射孔作业，满足测试、生产需要。

为适应欠平衡钻井技术的需求，美国贝克公司研制开发了在欠平衡条件下，下入尾管专门井下装置，从而保证了全过程欠平衡作业的实施。遥控水泥头。减少了开挡销释放胶塞的时间，保证了施工的连续性。为解决水平井尾管固井中由于井斜大，造成座挂铜球无法到位实施憋压座挂的技术问题，国内研制开发了专门用于大斜度、水平井尾管固井的送球器。

(四) 水泥浆顶替技术

美国道威尔—斯伦贝谢公司提出了有效层流固井技术，在无法实现紊流的条件下采用有效层流固井技术取得了较好的现场应用效果。中石化石油钻井研究所针对深井不规则井眼水泥浆顶替效率低的技术问题，提出了紊流—塞流复合顶替技术，通过理论分析提出在不同井径条件下同时实现紊流和塞流的水泥浆流变性能要求以及相应的水泥浆流变性能设计方法。较好地解决了深井井眼不规则的固井问题。

(五) 注水泥计算机动态模拟与设计系统

国内外普遍研制开发了相应的注水泥动态模拟与设计系统，提高了固井设计的针对性和准确性。美国LANDMARK、道威尔—斯伦贝谢、哈里伯顿公司都拥有先进的固井设计及作业评价系统。

(六) 注水泥设备

美国是生产成套固井设备的主要厂家，主要包括哈里伯顿、道威尔—斯伦贝谢和BJ公司，中国主要是江汉石油管理局第四石油机器厂。水泥浆的密度最高可精确控制在2.64g/ cm3以内。

(七) 水泥浆实验仪器

为了适应固井技术不断发展的需求，国内外普遍加大了水泥浆实验仪器开发力度。除常规的失水仪、稠化仪、胶凝强度仪外，美国CHANDLER公司于2000年研究开发出了用于模拟和评价注水泥环空气窜的最新仪器—7150型水泥浆气窜模拟仪。

3、国内固井技术现状与发展趋势

(一)油井水泥与外加剂

从1990年开始，中国颁布了“油井水泥”新标准，淘汰了75、95和120℃老的水泥标准，已完成了油井水泥向API标准过渡，提高了油井水泥的质量。 大庆油田为解决低温水泥石早强问题，与有关水泥生产厂家研究并应用了高铝水泥，取得了较好的效果。国内外的比较固井基本水泥研究与应用方面，主要表现在研究投入不足、基本水泥种类很少，且应用更少。

在油井水泥外加剂研究方面，中国经历了引进、仿制、自行研究和配套的过程。到目前为止，已形成了11大类100多个品种的水泥浆外加剂，基本满足了国内油田开发的需要。在分散剂、低温防气窜剂、常规性能降失水剂等性能方面已接近或达到国外先进水平。油井水泥外加剂方面的差距国内多数抗盐、抗高温外加剂适应120℃以上的外加剂种类很少且性能不稳定；对减少或防止高温强度衰退的硅质材料研究较少且质量不稳定；中国油井水泥外加剂普遍各自为政，配伍性较差；因投入关系，我国平均使用一吨油井水泥，外加剂消耗量为0.057吨，国外为 0.17吨。

(二) 常规固井技术

我国已完善了8种油藏14种固井技术，原来许多如尾管固井、双级固井、水平井固井等特殊固井工艺已普遍使用，逐步演变成常规固井技术。但与国外相比，我国在超低密度水泥浆固井、超高密度水泥浆固井、超深井超高温固井，等方面仍有较大差距。

(三) MTC固井技术

我国自1992年开始对MTC固井技术进行了大量的研究与应用工作，已全面掌握了钻井液转化为水泥浆的激活、性能控制和现场施工技术，现场已应用几百口。 今后应进一步加强MTC水化机理研究和 MTC固化物高温高压及长期力学性能研究，简化现场施工工艺，拓宽其应用范围。

(四) 固井工具的研制与开发

尾管悬挂器、双级注水泥器、套管扶正器、套管外封隔器及常规的工具附件，基本满足了现场固井技术要求。固井工具质量及可靠性已接近国外产品水平。 与国外相比，中国在可旋转的尾管悬挂器、带封隔器的尾管悬挂器、多级固井工具及大位移井固井的专用固井附件方面有较大差距。

（五）固井计算机模拟与设计软件

国内西南石油学院等单位研究开发了较先进的固井计算机模拟与设计软件。 国内各油田都有自己的固井设计软件。但软件的先进性、科学性及功能方面还需要提高。 固井现场施工实时监测及作业评价系统应用还不广泛。

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