国内外固井技术发展历程与研究方向

国内外固井技术发展历程与研究方向

齐奉忠;冯宇思;韩琴

【摘要】固井是油气井建井过程中的重要环节,固井质量直接关系到油气田、油气井寿命及安全生产.国外固井技术经过100多年的发展,在固井工艺、水泥及外加剂、固井工具及附件、固井装备等方面配套齐全.国内固井技术经历了学习模仿、自主

研发、技术突破、创新发展等阶段长期发展,特别是经过\"十一五\"至\"十二五\"的攻关,有了长足进步.面对\"深、低、非、老\"勘探开发新形势,以及高含水、高采出

程度老油田有效稳产的新任务,固井技术应针对复杂地质条件、复杂工况环境和水

泥环长期密封的要求,深入开展功能性固井材料与工具、信息化智能化固井控制与

检测评价一体化系统、全生命周期固井等方面的系统研究,实现产业升级换代,为油

气资源及特殊能源的安全高效勘探开发提供强有力的工程技术保障.

【期刊名称】《石油科技论坛》

【年(卷),期】2018(037)005

【总页数】6页(P35-39,44)

【关键词】固井;固井装备;固井工具;外加剂;水泥浆

【作者】齐奉忠;冯宇思;韩琴

【作者单位】中国石油集团工程技术研究院有限公司;中国石油集团工程技术研究

院有限公司;中国石油集团工程技术研究院有限公司

【正文语种】中文

【中图分类】TE256

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