国内复杂深井固井现状及技术需求分析

国内复杂深井固井现状及技术需求分析
齐奉忠 刘硕琼 袁进平
（中国石油集团钻井工程技术研究院完井固井所，北京海淀 100195）
摘要：随着国内油气田勘探和开发工作的不断深入，深井超深井的数量也越来越多，通过联合攻关及技术引进，固井质量得到了较好保证。

本文全面总结了国内近年来复杂深井固井技术发展情况，特别是在深井超深井、复杂气井、抗高温水泥浆体系等方面的进展情况，分析了目前存在的主要问题及与国外的技术差距，结合国内目前普遍存在的问题，提出了今后复杂深井固井研究的主攻方向。

关键词：固井 深井 气井 外加剂 水泥浆体系 固井质量 气窜
近年来，随着国内油气田勘探和开发工作的不断深入，深井超深井数量也越来越多。

深井超深井固井在井眼准备、套管下入、抗高温水泥浆体系选择、抗高温隔离液、固井工具及现场施工工艺等方面提出了更高的要求。

通过技续攻关及技术引进，形成了较完善的固井配套技术，固井质量得到基本保证。

近年来，国内深井固井技术取得的进步主要表现在以下几个方面。

一、近年来国内复杂深井固井技术取得的主要进展
1．超深井固井取得突破
近年来，国内在超深井固井方面取得突破。

新疆风险探井莫深1井Ф339.7mm套管下深4463m，裸眼段长达近4000m，套管重量达516t；Ф244.5mm套管下深6404m，重量达521吨，均创国内新纪录。

中石化塔深1井Ф206.4mm无接箍尾管下深6800m，Ф127.0mm尾管下深8405m，井底温度180℃。

塔里木油田古城4井完钻井深6550 m，Ф127.0mm尾管下深6430 m，井底最高温度达185℃；塔中88井完钻井深7260m，Ф127.0mm尾管下深达7189.2m，井底温度152℃。

吉林长深气田的长深5井Ф139.7mm 生产套管下深5321m，井底静止温度达180℃，该井全部采用国产油井水泥、外掺料和外加剂，固井质量合格井段100%，优质井段98.87%。

2．复杂深气井固井质量基本得到保证
针对塔里木油田的窄安全密度窗口高压气井固井，川渝地区的高含H2S气井固井，大庆、吉林油田的高含CO2深气井固井等技术难题，近几年来国内加强了对气窜失重机理的研究，总结了影响气窜的主要因素，提出了综合防气窜、防漏失的配套技术措施，在固井工艺、固井工具、水泥外加剂、高密度隔离液、防漏固井材料等方面取得了一些进步，对于保证这些复杂气井的固井质量起到了积极的作用。

吉林长深气田生产套管固井质量合格井段平均达到97.75%，优质井段达到81.13%。

大庆庆深气田、塔里木迪那及克拉气田、川渝地区深气井的固井质量也基本满足了生产要求，为国内天然气的稳产增产起到了积极的作用。

3．复杂深水平井及特殊工艺井固井日益完善
近年来国内加大了水平井的应用力度，如中石油2006年完成水平井522口，2007年完成806口，
2008年部署的水平井达到1000口。

目前水平井技术向大位移水平井、侧钻水平井、分支水平井、径向水平井等特殊工艺井的方向发展，以满足地质及采油的要求。

随着塔里木、冀东及大港滩海油田的深入开发，深层的水平井、大位移井、大斜度井也越来越多。

针对深层水平井及特殊工艺井固井问题，国内各油田推广应用固井优化设计、套管居中、提高顶替效率、高性能的水泥浆体系、储层保护等配套技术，有力地保证了深层水平井及深层特殊工艺井的固井质量及单井上产量。

4．开发了适合不同复杂地层深井固井的抗高温水泥浆体系
在抗高温水泥浆体系方面，外加剂应用技术日趋成熟，用量稳步上升，性能良好的外加剂的推广应用，大大提高了高温高压、活跃油气水层、长封固段、低压易漏等复杂井况条件下的固井质量。

形成了如低密度高强度水泥浆、高密度超高密度水泥浆、高温防窜水泥浆、高温抗盐水泥浆、纤维防漏水泥浆等不同的水泥浆体系。

新疆油田南缘霍10井Ф139.7mm生产套管固井水泥浆密度二次加重达到2.60g/cm3，塔里木油田的克拉4井Ф177.8mm尾管固井水泥浆密度达到2.61 g/cm3。

5．形成了较完善的配套固井防气窜技术
十多年来，国内对环空油气水窜形成的原因、影响因素、气窜的物理过程、预测方法及防窜水泥浆体系等方面做了大量工作，先后研究和开发了膨胀水泥、延缓胶凝水泥、触变水泥、可压缩水泥及抗高温胶乳水泥浆、抗高温成膜防窜水泥浆、AMPS聚合物抗高温水泥浆等多种体系；形成了以平衡压力固井、双凝水泥、环空加回压等防窜工艺方法；在提高顶替效率方面，针对不同井深、不同钻井液类型、不同钻井液密度、不同的润湿条件，开发了多种隔离液体系，较好地满足了复杂深井固井提高顶替效率的需要；在水泥浆防窜性能评价与预测方面，借鉴了哈里伯顿公司的水泥浆性能系数（SRN）和压稳系数（SPN）及道威尔公司的综合因子法（CCGM），采用这些方法可以较好地评价深井固井水泥浆体系及施工措施的有效性、针对性。

6．开发了适应不同地质条件的深井固井工具及附件
近年来，国内相断开发了适应不同深井条件的固井工具及附件，如封隔式尾管悬挂器和封隔式回接插头、水平井尾管悬挂系统、液压-机械双作用尾管悬挂器、小尺寸尾管悬挂器、防腐蚀型尾管悬挂器、尾管悬挂-分级注水泥-封隔完井系统、液压自通径式分级注水泥器等，基本满足了国内深井现场固井的技术需求，部分固井工具及附件的质量及可靠性已接近国外产品水平，占领了国内绝大多数市场份额。

和国外同类固井工具及附件相比，国内产品的价格只有国外的1/5到1/3，具有很强的成本优势。

7.深井固井装备水平得到进一步提高
为了满足大功率、高压力、大排量和自动化作业深井固井需求，国内开发了计算机控制的GJC40-17（压力40MPa，排量1700L/min）、GJC45-21（压力45MPa，排量2100L/min）两种单机单泵自动混浆固井车和GJC70-25（压力为70MPa，排量为2500L/min）、GJC100-30（压力为100MPa，排量为3500L/min）等两种双机双泵自动混浆固井车。

水泥车的更新换代，特别是混浆系统的改进（从常规射流混合器逐步演变成内循环射流混合器），对水泥浆的混浆质量起着决定性的作用。

固井设备的改进，保证了复杂深井现场施工的安全及入井水泥浆密度的均匀性，有利于提高复杂深井的固井质量。

二、国内复杂深井固井技术存在的主要问题
国内在深井固井方面虽然取得了一些进步，但是整体的固井质量却不容乐观，离目前勘探开发的需求还有较大距离。

近年来，钻井数量逐年增加，井打得越来越深，高压油气井、高含H2S井及高含CO2井、深井超深井以及复杂结构深井等也越来越多，固井难度越来越大，问题及难点也越来越多，具体表现在以下几个方面。

1．超高温固井水泥外加剂仍依赖进口
近年来，国内虽然在超高温外加剂研究方面取得一些进步，但是与国外相比还存在较大差距，缺少耐温超过180℃且性能稳定的外加剂产品，并且外加剂对加量敏感，线性范围小，施工时配方调配困难，固井质量难以保证。

随着深层勘探开发的加快，国内深井超深井钻井数量逐年增加，高温外加剂产品的开发已迫在眉睫。

2．高密度超高密度、超低密度水泥浆固井质量有待进一步提高
国内在高密度超高密度、超低密度水泥浆固井方面虽然保证了固井的成功，但是固井质量普遍较差，还需要在高性能加重剂及高性能减轻剂、外加剂、水泥浆体系优化、提高顶替效率、固井工艺、水泥浆现场配制方面做深入的研究工作。

3．深层气井环空气窜问题依然还很严重
气窜是一个世界性难题，国内近尽管做了许多工作，但是目前深层气井固井质量普遍较差，固井后环空带压或井口窜气问题突出，长封固段固井水泥浆超缓凝问题突出，给以后的生产带来了巨大的安全隐患。

2004～2007年，大庆油田探井相继出现升深8、徐深10、徐深901、徐深606、达深斜5等5口井固井环空带压。

四川龙岗龙1、龙2、龙3井的Ф244.5mm与Ф177.8mm技术套管环空带压。

塔里木的克拉气田有11口井环空带压，克拉2-10井Ф250.8mm技术套管固井施工达到设计要求，但投产后套压达到近54MPa。

4．窄安全密度窗口固井问题更加突出
针对塔里木油田的克拉、迪那气田，新疆、四川等油田的窄安全密度窗口深井固井问题，尽管采取了地层承压堵漏、防漏水泥浆、近平衡压力固井、配套隔离液、低排量替浆、减少下套管及固井中的压力激动等措施，但是仍然没有达到理想的固井效果，一方面该种类型井固井质量差，另一方面固井中的防漏防窜问题仍没有得到根本解决。

5．小间隙固井技术需要加强综合研究
塔里木、四川等油田的深井超深井小间隙固井，固井前井眼质量差，井下状况恶劣，有的无法加放套管扶正器，固井时施工排量特别低，顶替效果极差，封固质量无法保证。

为克服小间隙井的固井质量问题，部分井虽然应用了随钻扩眼技术，但目前随钻扩眼钻速低，技术还不成熟，难以满足生产要求，解决小井眼小间隙固井问题不只是固井一家所能解决的，需要从钻井系统工程方面着手解决。

6．深井盐膏层及高压盐水层固井还有很多需要解决的问题
塔里木盆地山前构造带普遍发育一套第三系复合盐层，已发现和探明的油气田中大多数都是盐下构造。

一些井在钻进时多次发生漏失，同时显示气层也非常活跃。

盐层固井技术一直是固井界公认的难题，经过多年攻关，仍没有得到根本的解决。

还需要从抗盐水泥浆体系、抗盐隔离液、配套施工工艺等方面
深入研究。

7．一次性长封固段固井、低压易漏长封段固井问题有待进一步研究
目前如塔里木、新疆、吐哈、吉林、大庆等油田都面临深井一次性长封固段固井、低压易漏长封固段问题，由于封固井段长，水泥面上下温差大，地层承压能力低，固井易发生漏，应用双级注水泥固井技术又存在一定的危险性和局限性，现有的低密度水泥浆体系难以解决长封井段固井的问题，一次性长封井固井、低压易漏长封固段固井技术还有待进一步研究。

8．对固井后的环空带压或气窜问题没有进行深入攻关
由于钻井作业或后期增产作业的影响，固井后环空带压或井口窜气问题也越来越突出。

分析其主要原因是没有对水泥环在该井生产寿命期间在建井、完井、增产和生产作业承受的外载进行分析、设计与评价，没有对水泥石的性能如杨氏模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度、胶结强度等进行综合分析，没有采取与地层相匹配的水泥石力学性能。

国内也没有对环空带压的原因、影响因素、补救措施等方面进行深入研究，在防止环空带压的封隔器及防止固井后气窜的水泥浆方面还没有开展工作。

三、国内复杂深井固井与国外的主要差距
自1903年开始固井以来，经过100多年的努力，国外固井技术有了很大进步，油井基本水泥由一两种发展到13种；国外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、大能量和大功率方向发展；复杂深地层固井技术日趋完善，研究开发了适应高压气井、塑性地层、低压易漏失井、多压力系统以及深井超深井高温固井、海洋深水固井配套技术；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；针对长封固段固井、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系列固井工具及如可旋转的尾管悬挂器、带封隔器的尾管悬挂器、多级固井工具等特殊固井工具。

与国外相比，国内主要有以下的差距：
1．复杂深井固井技术储备不足，技术不配套
国内除在常规固井技术方面比较成熟外，在高温高压深井超深井固井、高压气井固井、窄安全密度窗口高压气井固井、深层大斜度井大位移井固井、分支井固井、小井眼小间隙固井等方面技术储备不足，技术不套配。

2．基础研究落后，固井研究的深度和广度不够
主要表现为应用技术研究多，基础理论性研究少，长期深入性技术研究少，同时研究的深度和广度也不够，研究人员分散，并且缺乏横向上的联合，导致创新能力不足，这在一定程度上影响了固井质量的进一步提高，在基础研究领域如顶替理论、防气窜理论、水泥环长期胶结、外加剂作用机理等方面开展的研究工作少。

3．外加剂总体质量不高，产品系列化差，高端产品主要靠进口
目前国内外加剂品种单一，各生产厂家产品基本类似，产品过于大众化，缺少高性能的降失水剂和缓凝剂；产品系列化程度不够，主要集中在中低温、中温和中高温阶段和通用性的添加剂，缺乏超低温
（低于30℃），超高温（高于180℃）缺乏配套的外加剂体系；产品材料的原创性较差，少有具有自主知识产权的原创技术。

在超高密度水泥浆、超低密度水泥浆、深水固井水泥浆、抗盐水泥浆、防窜水泥浆等方面与国外的差距更大。

4．常规固井工具要提高质量，高端固井工具要开展研究
与国外相比，国内在可旋转的尾管悬挂器、带封隔器的尾管悬挂器、遇油遇水膨胀的封隔器、抗硫固井工具、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，这也是今后努力的方向。

常规固井工具要逐步形成系列化的产品，工具质量还要进一步提高，并要加强出厂前的性能检测及施工前的检查。

5．固井设计方面和国外相比差距较大
科学、合理地进行固井设计是提高固井质量特别是复杂深井固井质量的前提和基础。

随着计算机技术和固井工艺技术的发展，国外普遍采用计算机对套管柱设计、水泥流变性、套管居中度、固井后水泥石受力状态等进行评价，研制与开发了相应的注水泥动态模拟与设计系统，大大提高了固井设计的针对性和准确性。

国内目前的固井设计，包括一些复杂井的固井设计还基本采用人工设计，考虑的因素少，针对性方面尚需改进。

四、提高复杂深井固井质量的主攻方向
针对目前高压酸性气体气井、高压气井、超深井、小间隙井以及特殊结构井固井存在的问题和难点，要着力加强以下几方面的技术研究。

1．高压气井、窄密度窗口高压气井固井技术研究
主要是进行高压气井防窜机理研究，适合高压气井固井的高密度超高密度防窜水泥浆体系研究，高压气井固井综合防窜措施研究，高密度钻井液（1.80g/cm3以上）条件下提高顶替效率的技术研究，窄安全密度窗口高压气井综合防漏防窜技术措施研究。

2．深井超深井固井技术研究
主要是进行抗高温（抗温大于180℃）外加剂如降失水剂、缓凝剂研究，抗高温隔离液体系研究，深井超深井配套固井工艺研究。

3．盐膏层高压盐水层固井技术研究
主要是研究综合性能好的抗高温抗盐水泥浆体系研究，抗高温抗盐隔离液的研究。

4．深井小间隙固井技术研究
主要是针对Ф215.9mm井眼下Ф177.8mm套管、Ф149.2mm或Ф152.4mm井眼下Ф127.0mm尾管的固井，开展固井工艺、薄水泥环条件下提高封固质量及长期胶结质量的研究。

5．多压力系统超长封固段固井及低压易漏井长封固段固井技术的研究
主要是开展高性能缓凝剂研究，开展高性能低密度超低密度水泥浆体系固井研究，开展综合防窜技术研究。

6．H2S、CO2酸性气田固井技术研究
主要是开展H2S、CO2腐蚀机理研究，防止H2S、CO2腐蚀的综合措施研究，制定评价H2S、CO2腐
蚀的标准，研制测试腐蚀仪器。

7．固井后环空带压或井口窜气研究
主要是开展环空带压的原因、影响因素以及补救措施进行研究，开发评价固井后水泥石受力载荷分析软件，开发适应不同地质条件能承受不同载荷的柔性水泥浆体系。

五、结束语
固井是钻井工程重要的环节之一，固井质量是油气井的“百年大计”，对油气井寿命、油气井产能、勘探开发的总体效益影响很大。

随着勘探开发的逐步深入，复杂深井固井会面临更加复杂的地质条件。

为进一步提高固井质量，各油田的领导要高度重视复杂深井的固井工作，为固井技术发展提供强有力的支持；要加强技术管理及现场施工的管理，做好重点工程、重点井的方案论证、技术攻关、施工设计、措施落实、固井施工等，确保固井成功与固井质量；另一方面要进一步加大科研投入，加强固井技术攻关、技术引进和新技术推广应用工作。

参考文献
{1} SPE 76333
{2}SPE 87195
{3}齐奉忠，申瑞臣等．国内固井技术现状问题及研究方向建议[J]．钻采工艺，2004（2）：7-10．
{4}胥永杰，杨万忠等．四川固井技术[J]．天然气工业，2000（4）：36-40．
{5}郭昭学，李早元等．国内目前固井面临的新问题及发展方向[J]．钻采工艺，2007（3）：38-41．
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第一作者简介 齐奉忠，男，1971年生，高级工程师，1994年毕业于西南石油大学油田化学专业，现在石油集团钻井工程技术研究院工作。

联系地址：北京市海淀区北坞村路甲25号静芯园O座完井固井所。

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