复杂井固井新技术与发展

复杂井固井新技术与发展
一、中国石油集团工程技术研究院固井专业概况
中国石油集团工程技术研究院从1980年开始致力于固井技术研究，是国内最早从事固井材料研究的单位。

在集团公司的支持下，经过20多年的研究和积累，中国石油集团工程技术研究院固井专业已成为国内以固井外加剂为主导，集科研、开发、生产、技术服务于一体的技术力量雄厚的研发机构。

现拥有高、中级科研人员35人，实验室面积2000m2，符合API规范的实验检测仪器设备160台套，并建成了年产万吨的外加剂生产线。

拥有国家技术监督局认证和API 认定的集团公司油井水泥及外加剂产品质量监督检测中心。

工程技术研究院已先后完成国家和集团公司级固井科研项目77项，其研究成果先后获国家科技进步三等奖2项，集团公司科技进步一等奖3项，二等奖4项，三等奖3项。

获国家级重点新产品5项，联合国技术信息系统发明创新科技之星奖1项并入选世界优秀专利。

在世界石油大会及SPE和美国Oil&Gas上宣读和发表论文5篇，先后有2名科技人员成为美国石油协会勘探开发标准化委员会油井水泥分会投票委员。

在固井技术方面已形成十大系列、五十多个品种完备的油井水泥外加剂产品，为长庆油田、辽河油田、大港油田、吐哈油田及海洋石油、石化系统等二十多个油田固各种复杂疑难井3560井次。

为集团公司海外（伊朗、厄瓜多尔、乌兹别克、苏丹、哈萨克斯坦等）勘探开发项目提供了8个品种、813吨固井外加剂和技术服务。

目前，国内固井水泥浆外加剂的年使用量约为1.8亿元，工程技术研究院约占12—15%，而在高端产品的市场份额超过70%，尤其在复杂疑难井固井方面形成了较强的技术优势和综合服务优势，在欠平衡井固井技术、低压易漏井固井技术、深井超深井固井技术、长封固段井固井技术、高压气井固井技术、岩盐层固井技术等方面形成了七大特色固井技术。

二、工程院特色固井技术
1、欠平衡钻井配套的高强低密度水泥浆固井技术
二十一世纪油气资源勘探开发，面临着复杂储层物性和复杂地质条件油气资源的开发；面临着低压、低渗、低产能油气资源的开发；面临着走出去战略的实施和激烈的世界石油市场的竞争。

欠平衡钻井的兴起，为低压、易漏复杂地层的开发，有效提高钻速，提供了有力的技术保证。

同时，欠平衡钻井也对固井提出了更高的要求。

欠平衡钻井配套固井技术的实质就是要解决欠平衡钻井后的近平衡固井问题，这就意味着要特别关注选择合理的固井压差，适宜的固井水泥浆密度以及合理的施工工艺，以防止固井漏失和对储层的污染，保证固井质量，为后续的油层改造、增产措施及采油作业提供良好的井筒条件。

国内外固井实践证明，选用合适的低密度水泥浆，既可以有效地分隔低压油、气、水层，同时也是封堵低压漏失层较为成功的方法。

对水泥浆体系来说，低密度、高强度、低失水、好的流变性是其关键，但一般低密度水泥浆水灰比、外掺料较大，一般作为充填水泥用于非目的层封固，水泥浆密度的降低和水泥浆性能之间存在矛盾，突出表现在：
①水泥浆体系稳定性差，体系分层离析；
②水泥浆失水量难以控制；
③水泥浆流变性差，泵送困难；
④水泥石强度发展慢，强度低；
⑤水泥浆石渗透性高，易引起腐蚀性介质的腐蚀。

随着对微观力学和微观材料的认识逐渐深化，工程技术研究院利用紧密堆积理论对低密度固井水泥浆优化设计，在国内率先研制开发成功了以PZW系列增强材料为主体的新一代低密
高强水泥浆体系。

通过正确选择干混物料的组分，使之具有优化的颗粒级配，胶凝材料中大小颗粒互相填充，采用了薄层水膜的化学胶凝材料颗粒，既增加颗粒斥力又产生滚珠效应，在保证水泥浆流变性的情况下，增加单位体积水泥浆中的固相量，使体系达到紧密堆积的效果
这种模型考虑了整个体系的颗粒粒径分布，不是简单的用平均粒径代替全粒径分布；同时还考虑到堆积密度受大、小颗粒相互充填作用——壁效应和松散效应的影响；考虑固体颗粒在一定稠度条件下的悬浮状态。

体系的堆积状态可用干混堆积分数（PVF）来描述，PVF值越大，水泥石孔隙度和渗透率越低。

利用这一模型，通过对混合物不同颗粒尺寸分布（PSD）优化设计，使体系获得较高PVF值。

由于固相含量高，需水量低，使抗压强度发展快、强度高，水泥石渗透率很低，水泥浆体系稳定性显著提高，具有较好的防窜能力和层间封隔能力，水泥浆性能可与常规水泥浆相媲美。

2、抗盐耐高温水泥浆体系
抗盐耐高温水泥浆固井技术主要用于解决含盐岩层、高压盐水层井的固井。

盐对水泥浆的各项性能影响很大，当盐掺量较低时，稠化时间变短，有早强作用；而当盐掺量较高时，水泥石强度发展变慢。

此外，盐使水泥浆的稠度增大，浆体泡沫增多且难消，还易产生闪凝。

盐还能够使大多数外加剂絮凝。

因此，盐岩层、高压盐水层井固井对外加剂的要求很高，首先要具有良好的抗盐性能，还要对水泥浆体系的其它性能影响较小，如不会在高温盐环境中分解导致水泥浆过渡缓凝，降失水性能变差等。

常用的降失水剂大都不抗盐，HEC、CMC等改性纤维素衍生物虽有一定的抗盐效果，但浆体稠度大，中低温缓凝作用强，高温分解；AM/AA共聚物抗盐降失水剂，虽然解决了体系的抗高温问题，但体系的低温早强和沉降稳定性问题又特别突出。

国外对盐水水泥浆外加剂的研究和应用起步比较早。

60、70年代饱和盐水水泥浆的应用实例较多，而外加剂的研究进展比较缓慢。

80年代Beach H J较系统地研究了盐对油井水泥的影响，Chatterji J申请了用CMHEC作为盐水水泥浆降滤失剂的专利等。

Slagle和Smith的研究结果表明，为防止地层的破坏，一般盐含量低达10%（与水的重量比）时就足够了。

但对普通外加剂而言，即使10%的盐水水泥浆，其施工性能都会显著恶化。

主要表现为流变性变差、水泥浆粘度急剧增加，滤失量难于控制等。

自八十年代后期以来，人们一直在研究性能更好的盐水水泥浆体系。

3、深井超深井固井水泥浆体系
深井超深井的钻井投入是相当大的，固井的成败又直接关系到勘探成果。

但深井超深井固井难度很大，既要考虑高温、高压、环空狭窄和腐蚀性流体等对水泥浆的影响，还要考虑在深井超深井的勘探开发中把一些新技术如欠平衡钻井、大位移水平井等应用于钻井过程中，这些技术由于其特殊性，又给固井带来了更大的挑战。

这就要求有高性能的水泥浆体系与之配套。

最近几年，工程院在深井超深井固井水泥浆技术方面做了大量深入的工作，形成了一整套性能良好的固井水泥浆体系，其性能已达到美国Halliburton公司同类产品水平。

该体系不但具有防漏、防窜、耐高温的能力，还具有良好的沉降稳定性和流变性能，较高的强度、较低的失水等；适温度用范围为100～205℃（BHCT），密度使用范围为1.5～2.45g/cm3。

该技术解决了高温深井的固井问题，已在大港、青海等油田固井100余井次，包括尾管固井、技术套管固井和油层套管固井，最大井深6200米（乌深1井），最长封固段2900m（板深8井），井底最高温度205℃（板深7井）。

冷科1井、善科1井、乌深1井、板深78-1井、沙64井等深井均采用了这种水泥浆体系，封固效果良好。

4、与快速钻井配套的短候凝固井技术
近年来迅速发展起来的快速钻井技术是钻井界一项重大技术进步，能够为油田节约大量的成本和时间。

固井工作影响快速钻井技术发展最为突出的矛盾是低温水泥浆候凝期过长，大大
限制了快速钻井整体效益的发挥，对于丛式井的开发尤为突出。

九十年代初由美国的UNOCAL公司研制的短候凝体系，首先在泰国湾得到成功应用。

之后，世界各国都加了对这一领域的研究工作。

工程院开发的低温短候凝水泥浆体系可使水泥浆的候凝时间由原来的24小时缩短到4小时。

其技术水平已超过美国UNOCAL公司同类产品。

在丛式井钻井中可以实现不间歇钻井，在滩海低成本开发中具有很大的应用前景。

该技术在海上油田已大面积应用，已封固110余井次，无一口井套管下沉及井间窜通现象发生。

单井节约各项费用近7万元。

是快速钻井技术的支撑技术之一。

5、长封固段固井技术
这项技术主要是针对陕甘宁中部气田及长庆的靖安油田低压易漏地层长裸眼段固井难题。

采用泡沫水泥、低成本低密度水泥浆体系，通过一次上返固井工艺，取代低压易漏长封固段井通常使用的双级注水泥方法，节省了分级箍，节约了工时，降低了钻井成本。

实现一次封固3400m。

这项技术已固油气井145井次，单井次节省费用约8.5万元。

俄罗斯有类似长封固段技术，但实施费用较为昂贵。

三、固井技术面临的挑战
随着油田开发技术、钻井技术的发展，对固井技术不断提出更高的要求，如防止地层污染、储层资源的保护，水泥环力学性能对油井寿命的影响，水泥石的耐腐蚀能力、水泥石耐酸化压裂作业的能力以及穿越特殊地层的的完井方法等都影响着油气田开发的整体效益。

虽然固井技术在国内外开发和应用获得很快的发展，仍不能满足当今钻井的需要。

当前构成世界及我国固井的主要焦点是：
1. 高压气井的固井；
2. 未动用储量及低压低渗透易漏井的固井问题；
3. 含有CO2、H2S腐蚀井的固井问题；
4. 空气钻井配套的固井技术
近年来，以哈里巴顿公司、道威尔公司、BJ服务公司等为代表的国外固井技术取得了显著的进展。

技术的进步推动了油井水泥外加剂的发展，拓宽了使用范围，一批新产品、新工艺得到应用。

聚合物的研究及发展提高了降失水剂的耐温性、抗盐性，减少了低温缓凝作用和具有更低的粘度，配制浆体的相容性和沉降稳定性都相应提高，并能够改善水泥石的韧性。

含超细材料水泥、弹性纤维水泥的应用为钻遇特殊地层和实施特殊固井工艺提供了条件。

1997年，世界深水钻井的活跃，推动了固井新材料和工艺的发展，哈里巴顿公司、BJ服务公司通过采用合成聚合物完成了深水固井水泥浆配方，解决了存有浅水流动区段水泥石早期强度过低的问题，改善了水泥石的后期强度。

1998年，道威尔公司在降失水剂和防窜剂研制方面有了较大发展，使降失水剂的耐温抗盐及其它综合性能方面有了很大提高，并开发无泡高强水泥浆、高流动性高悬浮稳定性的高密度水泥浆。

随着钻遇地层的复杂以及新兴钻井技术，如定向井钻井、水平井钻井、小井眼钻井技术等的发展，又如特高压气井、浅高压气井、煤成气的开发，给固井带来了新的课题。

地层流体对水泥环及套管的腐蚀，直接影响油井的寿命。

因此耐腐蚀水泥体系及耐腐蚀套管的问题也就相应提出；水平井的日益普及，使得有必要开展无自由水、体系沉降稳定均匀水泥浆的研究；高含钙、镁、NaCl、KCl、SO42+复杂地层、盐膏层、蠕动性盐层、镁盐层、碱层又要求特殊的水泥浆体系。

满足大于300℃的地热井、热采井的水泥石长期热稳定的水泥浆体系等等。

哈里巴顿公司、BJ服务公司等都开展了上述方面的研究与攻关。

我国针对当今固井技术难题应采取的措施和方法：
高压气井的固井问题
柴达木冷湖构造、南八仙构造、塔里木库车－塔北地区、克拉气田、长庆鄂尔多斯及中国南海是我国的主要气田。

塔里木是西气东输的主要气源。

高压气井固井是关联西气东输送气寿命的问题，是长治久安的大计。

高压气井固井应首先解决的是：
(1)开发性能优良的新型加重剂。

常规加重剂需要大量的水润湿颗粒表面，使水泥浆流变性变差，抗压强度低，顶替压力增高，易造成沉降。

应开发悬浮性能好，浆体稳定，需水量少的新型加重剂。

(2)合成新型抗盐、抗高温、防气窜温降失水剂。

未动用储量及低压低渗透易漏井的固井问题
我国未动用储量共35亿吨，其中70%为低压低渗透油藏。

该油藏大部分压力梯度0.86左右，要开采这些未动用储藏，要求泥浆密度0.6～0.8g/cm3，相应水泥浆密度应尽量接近泥浆密度。

这是一个极负挑战的课题。

含CO2、H2S腐蚀井的固井问题
水泥环柱作为套管的护套和包被，对防止套管腐蚀、油气水封隔和油井寿命起着至关重要的作用。

如罗家寨气田防酸性气体H2S、CO2腐蚀的固井水泥浆问题。

这里首先应研究：
(1)水泥石腐蚀与水化相孔隙结构的关系；
(2)研究碳化机理和提高水泥石抗CO2腐蚀的方法；
(3)研究H2S腐蚀的机理，H2S对水泥石腐蚀深度及抗H2S腐蚀的水泥浆体系；
(4)借鉴俄罗斯戈里亚切克、柳切夫含H2S井的经验及固井配方，研究我国的抗H2S固井材料；
(5)建立和设计各种不同的腐蚀测试仪器和方法。

空气钻井配套的固井问题
近年来，随着钻井技术的进步和设备的更新，空气钻井技术在国际石油市场迅速发展，国内油气资源的勘探开发同样面临着复杂储层物性和复杂地质条件油气资源的开发，面临着低压、低渗、低产能油气资源的开发，面临着走出去的战略和世界石油市场的竞争。

空气钻井技术将成为钻井技术的一大发展方向。

如集团公司在伊朗中标区块（TABNAK等）已采用空气钻井技术来解决该区块严重漏失的问题。

为迎接这一挑战，与空气钻井配套的固井技术应着手研究：
(1)新型减轻材料的研制；
(2)超低密度水泥浆的研制；
(3)泡沫水泥浆的研制。

四、认识与建议
为满足目前和今后勘探开发的需要，应进一步研究和完善的固井技术为：超低密度水泥浆固井技术，主要解决低压易漏地层的封固；高密度水泥浆固井技术，主要解决高压气井、高压盐水层的封固；塑性水泥浆固井技术，主要针对小井眼钻井技术和今后分枝井、多底井的增加，其井身结构决定需采用塑性水泥浆体系，才能保证固井效果；调整井固井技术；与空气钻井、天然气钻井配套的水泥浆固井技术；耐H2S、CO2腐蚀的水泥浆固井技术。

此外，我国固井外加剂生产厂家和单位很多，产品质量和服务质量参差不齐，建议集团公司统一规划和安排，特别是出口产品，更应交给技术实力雄厚、现场服务能力强、产品性能价格具有竞争力的诚信单位，逐步建立起集团公司统一的服务体系和品牌。