固井技術

固井作業是油氣井鑽井工程中最重要的環節之一，其主要目的是封隔井眼內的油層、氣層和水層，保護油氣井套管、增加油氣井壽命以及提高油氣產量。

基本介紹

• 中文名：固井技術
• 外文名：cementing technology
• 目的：封隔井眼內油層、氣層和水層等
• 主要工具：懸掛器，封隔器，分級箍等
• 存在問題：質檢要求低、外加劑質量不高等
• 發展方向：三次加密井、塑性水泥漿技術等

技術的發展

(1)使用循環容積效率法,確定固井前鑽井液的循環處理時間,以此作為判斷井下鑽井液循環是否充分的依據。

(2)明確了“三壓穩”理論,即固井前的壓穩、固井過程中的壓穩和候凝過程中水泥漿失重時壓穩,並成為高壓油氣井固井、油氣水層活躍的井固井及長封固段井固井設計的基本準則。

(3)發展成熟了低返速固井技術。受地層、設備、材料、水泥漿體系等條件的限制,有的井難以實施紊流固井,採用低返速固井技術基本解決了該類井提高頂替效率的問題。

(4)高壓油氣井固井技術。近年來加強了對氣竄失重機理的研究,摸清了水泥漿失重與氣竄的機理,總結了影響氣竄的主要因素,提出了綜合防氣竄的技術措施。

(5)淺層氣井固井技術。在過去的十幾年中,國內對注水泥的研究主要集中在深井防竄材料和工藝技術方面,對淺層氣研究較少。近年來,通過對淺層氣固井工藝、水泥漿體系的研究,基本解決了這類淺井固井的技術難題。

(6)固井設計水平有新的提高。科學、合理地進行固井設計是提高固井質量的基礎和保證,近年來,國內各油田的固井設計水平逐漸提高,設計時考慮的因素更加全面。

(7)採用計算機注水泥設計和評價注水泥作業,提高了固井設計的可靠性和科學性。

(8)採用綜合固井技術提高固井質量,降低每一項因素對固井質量的影響。固井是一個系統工程,不能期望單項技術或措施就能很好的解決問題,而應該從多個環節去加強,才能取得好的效果,這一認識已成為固井技術人員的共識。

水泥漿外加劑

為了適應API水泥的轉化及國內油田的各種複雜的井況固井需要,相應研製了一系列的水泥外加劑,水泥外加劑已初步形成系列。目前已有降失水劑、減阻劑、防氣竄劑、消泡劑、促凝劑、緩凝劑、充填劑、膨脹劑、抗高溫強度退化劑、前置液和後置液10大類100多個品種。

我國外加劑研究和套用方面的力量日益增強,防氣竄理論、外加劑作用機理研究日益深入,有機合成技術迅速提高,一批新型防竄劑已研究出來。通過對聚合物外加劑的研究,提高了降失水劑的耐溫性和抗鹽性,減少了其在低溫下的緩凝作用,提高了配製漿體的相容性和沉降穩定性。

外加劑套用技術日趨成熟。性能良好的外加劑的推廣套用，大大提高了高溫高壓、活躍油氣水層、長封固段等複雜井況條件下的固井質量。

水泥漿體系

(1)短候凝水泥漿體系。該水泥漿體系主要是針對淺層低溫井設計的,注水泥完成6～ 8 h，就可以達到二次開鑽所需3.5 MPa以上的水泥石強度。

(2)MTC固井技術。MTC固井技術可以有效解決複雜條件下的頂替效率問題,並部分解決了廢棄鑽井液的處理問題,減少了環境污染。該項技術已在多口技術套管、生產套管、尾管固井中成功套用。

(3)高密度水泥漿固井技術廣泛套用。高密度水泥漿解決了高孔隙壓力、井壁不穩定和塑性流動地層等複雜地層的固井問題。

(4)新型泡沫水泥及超低密度水泥漿。該體系能顯著降水泥漿的密度,特別適用於易漏的地層及長封固段井固井。

(5)防竄水泥漿體系研究。通過研究與現場實踐,國內形成了多套防竄水泥漿體系,如膠乳型防竄體系、發氣型防竄體系、膨脹體系、直角凝固型防竄水泥漿體系等。

(6)塑性水泥。塑性水泥就是在水泥中加入塑性劑,以增加水泥石的抗拉強度,降低水化過程中的收縮,增加裂縫韌性,提高粘附膠結力。

固井裝備

水泥車是固井施工中的主要設備之一,其性能好壞直接影響固井質量。近年來國內各油田引進了國外先進的CPT- Y4、CPT- 800 D型水泥車，購買了國產的新型高性能的水泥車，淘汰了一批舊的性能差、排量小、混漿能力低的水泥車。水泥車的更新換代,特別是混漿系統的改進(從常規射流混合器逐步演變成內循環射流混合器)，對水泥漿的混漿質量起著決定性的作用。密度是保證固井質量的關鍵參數之一,設備的更新能有效保證水泥漿密度的均勻性,有利於提高水泥漿的混合能,保證入井水泥漿的性能,保證固井質量。

為了更好地滿足水泥、外加劑乾混的需要,保證混拌的質量,部分油田在更新注水泥設備的同時,還建立了先進的水泥乾混、濕混裝置,保證了水泥與外加劑的混合均勻的程度。

化驗儀器

部分油田水泥漿化驗儀器的配套程度也進一步得到提高,許多水泥漿實驗室不但配備齊全了常規的化驗儀器,有的還配備了如動失水儀、水泥膠凝強度連續測試儀、防氣竄測試裝置等非常規測試儀器。水泥漿化驗儀器的改善,提高了固井設計的水平,更好地最佳化了水泥漿體系,保證了入井水泥漿的性能。

工具的發展

(1)自動隨位脫掛尾管懸掛器。該懸掛器允許循環壓力達到25 MPa，可以在下尾管和注水泥時活動套管串,固井施工與常規固井一樣,碰壓後懸掛器能自動坐掛、脫掛,不需要倒扣,固井後尾管內不留水泥塞。該懸掛器已在遼河油田、勝利油田成功套用多井次。

(2)外台階式懸掛器。該懸掛器由於坐掛機構簡單,坐掛可靠,很有希望成為深井、高密度鑽井液尾管固井的有效工具。

(3)SJ型分級箍。分級箍外徑與套管接箍一樣大,增加了內、外套的壁厚,使分級箍的剛性、強度、耐溫性、抗內壓和抗外擠能力都得到了加強，同時，增設了溢流和鎖緊裝置,保證打開和關閉容易可靠。

(4)套管外封隔器(ECP)。套管外封隔器在長封固段井、高壓井、調整井固井中的套用得到了加強,有效解決了不同壓力層系之間漏與竄的問題，尤其在油水層活躍的調整井固井中取得了良好的套用效果。

(5)內插固井工具。內插固井工具在大尺寸套管長封固段固井中使用較多,縮短了施工時間，減少了混漿量,提高了套管鞋處的封固質量。目前內插工具已有上密封和下密封兩種類型。

(6)不用鑽水泥塞的分級箍。近年來研製的不鑽水泥塞的分級箍，雙級固井後不用鑽上內套及下內套，節省了鑽分級箍的時間，並有利於保證分級箍處的水泥膠結質量，節省了上小鑽桿的費用。

管串設計

(1)套管柱強度設計。由分別計算抗拉、抗內壓、抗外擠發展到複合應力計算，在稠油熱采井中考慮了溫度的影響，在水平井中因井眼曲率增大考慮了彎曲應力，使套管柱強度設計日趨完善。

(2)雙層套管固井技術。針對鹽岩層的蠕動問題,為了保護套管，防止擠毀，採用了雙層套管固井技術。

(3)套管磨損預測和套管保護技術。該項技術包括套管磨損點鑽桿側向力、磨損厚度、磨損後套管強度變化等。已有的試驗結果表明，實施套管保護技術後,滑動摩擦係數由0.65降至0.10～ 0.24,扭矩比大於3.5。

(4)新型套管絲扣密封脂。新型的套管絲扣密封脂具有在一定時間後固化的性能，防止了高溫下密封脂的流失，並對套管絲扣有一定粘結作用，該密封脂適用於深井固井中套用，在西部油田及複雜井固井中套用廣泛。

(5)特殊扣型套管在氣井固井中的套用得到加強,主要套管扣型有NSCC、NK- 3SB、FOX等。

國內固井技術

水平井固井套管設計

長半徑水平井和某些中半徑水平井可以下套管固井。在水平井套管設計中的主要問題是套管是否安全地穿越彎曲井段。

（1）套管強度設計。水平井套管受力情況複雜,在套管下入過程中,承受軸向彎曲載荷、超壓常的上提和下壓載荷。因此,水平井套管設計較常規直井(或定向井)套管設計強度要高一等級,如直井用鋼級J55壁厚7.72mm套管,水平井則用鋼級N80壁厚7.72 mm套管,抗拉強度設計,除計算正常軸向載荷外,還應計算彎曲附加軸向載荷,上提最大噸位，抗拉強度安全係數不低於1.80，上提最大噸位時的套管抗拉安全係數不低於1.5。

（2）套管下入過程中各種阻力計算。套管下入過程中的阻力主要由兩部分組成,其一是通過急彎時的局部阻力,由井眼條件決定,主要影響因素是該井的最大全形變化率；其二是套管與井壁的摩阻力,由相當於水平位移長度的套管重力和套管與井壁的摩擦係數決定。套管能否順利下入,取決於套管自重力(浮重)是否大於上述兩部分阻力。僅靠套管自重力下入套管時,在靖安油田,垂深1 900 m,水平井位移可達到600 m,套管能順利入井。利用地錨增加軸向下壓力則能大大增加水平段的長度。套管一次性下到設計井深,是固井施工的前提,在四川,下套管之前,採用理論設計和模擬通井技術,很好地解決了下套管問題。

套管居中

（1）扶正器的種類。目前國內使用的套管扶正器有三種:剛性扶正器,扶正力為最大,有導流功能,可提高頂替效率,但剛性也最大;雙弧彈性扶正器,其扶正力為單弧扶正器的兩倍;單弧彈性扶正器,其扶正力比雙弧彈性扶正器較小。

國內水平井固井在水平井的水平段多選用剛性扶正器和雙弧彈性扶正器間隔加入的方法,每20 m加一隻剛性扶正器和一隻彈性扶正器,其扶正力足以支撐平躺套管的重力,從理論計算和實際施工結果看可以保證套管居中度大於水平井固井水泥漿體系的要求。

另外國內還有一種旋流式扶正器,它是以彈性扶正器為基礎進行研製的。旋流式扶正器有3個導向葉片,在導向葉片角度為35°～ 40°,張開角為100°～ 115°時可以得到最佳旋流導流效果。旋流式扶正器使水泥漿在環空中形成一定的旋流場,且主流速越大,旋流場強度越大,形成的環向流速也越大。試驗結果表明,越靠近井壁處旋流強度越大;在返速是0.8 m/s時,實測旋流場的有效範圍達5 m。現場實際返速遠大於0.8 m/s,所以旋流場的有效範圍也相應增大。衛2— 25井在水平段井眼內全部使用旋流扶正器,每根套管加1個,共加50個;其它位置加30個。無可置疑,旋流扶正器的使用對提高頂替效率是有幫助的。

提高注水泥頂替效率的最好方法是活動套管和紊流頂替。然而,在實際施工中活動套管因種種困難難以實施。對於大斜度井更是如此。使用旋流扶正器等機械輔助方法來提高注水泥頂替效率是近年來一個新的發展方向。借鑑這些技術,國內設計了剛性旋流式扶正器。其目的是一方面支撐大斜度井段靠在井眼下側的套管,防止粘卡和增大間隙居中套管,同時又可以迫使流過旋流扶正器的鑽井液和水泥產生旋流以提高頂替效率。室內模擬試驗表明,旋流扶正器可以在很低的排量下使流體產生旋轉,並且隨著排量增長,有效旋流長度維持的距離也越長。流體通過旋流扶正器之後流態發生變化,旋轉向上的液體具有一定的離心力對提高管邊和大肚子井眼滯留泥漿的頂替效率有顯著改善。

（2）扶正器安放設計。通過室內台架試驗與理論研究,對水平井套管設計與強度校核中套管抗彎強度安全係數的取值與水密封性能及套管扶正器安放間距設計的新方法進行了研究。

研究認為:(1)在最高複合應力達857VME，20°/30 m狗腿嚴重度下,選用合適的螺紋密封脂,水密封性能良好,可滿足水平井需要。(2)採用國外鑽井承包商推薦的套管抗彎安全係數取值進行水平井套管強度設計與校核可滿足水平井固井技術要求。(3)採用具有初變曲的縱橫彎曲連續梁理論較好地解決了扶正器正確安放間距計算問題,從而修訂了API規範與SY- 5334- 88把本屬於靜不定的問題作為靜定問題來處理的錯誤做法。

（3）套管扶正器的正確位置套管扶正器的正確位置,是保證斜井與水平井固井質量的前提。在全面分析安裝有多個扶正器套管柱的力學特性的基礎上,採用了有初彎曲連續梁的力學模型,用初彎曲縱橫彎曲梁理論和三彎矩方程組成的多元線性聯立方程組,從理論上解決了斜井和水平井套管扶正器安裝位置的正確計算方法。

（4）套管居中技術。由於井斜角影響，水平井中套管、鑽井液、水泥漿和隔離液，所受重力方向已不再是軸向而是徑向，這一重力極易使套管偏心，一旦套管偏心對水泥漿頂替存在以下2點難點：一是水泥漿紊流頂替能確保最佳的固井質量,但隨套管偏心度增加,其臨界排量逐漸增大。二是在套管偏心的環空中,寬環間隙邊的水泥漿流動阻力總小於窄環間隙邊,造成寬環間隙邊水泥漿流動速度總是小於窄環間隙邊，從而形成水泥漿竄流。

存在的問題

技術儲備不足

當今的鑽井技術已經由原來的鑽淺井、中深井,發展到超深井,井的類別也已經由原來的直井發展到定向井、開窗井、水平井、大斜度井、分枝井、小井眼井等類別。鑽井工藝的發展已經能打出各種各樣的複雜井,為滿足這些複雜井的固井需要,原有的固井技術已遠遠不能滿足這些複雜井的要求。

國內除在常規固井技術方面比較成熟外，在欠平衡井固井、大斜度井固井、分枝井固井、小井眼固井、不停注的調整井固井、高溫高壓深井超深井固井、煤層氣井固井等方面技術儲備不足,固井時沒有針對這些特殊井的地質和鑽井特點,設計合適的固井技術,不但影響了固井質量,也影響了油氣層產能的發揮。

固井工具

固井工具主要表現在類型不全,除內插注水泥工具、尾管懸掛器、分級注水泥器、管外封隔器等常用工具外,其它工具少。同時對固井工具質量的把關不嚴,工具的材質差,造成使用的可靠性差,在一定程度上影響了固井質量。如尾管懸掛器經常發生下不去、掛不住、倒不開、提不出以及提前座掛的問題；分級注水泥器經常發生打不開、關不上或提前打開的事故;管外封隔器經常發生下不去、封不嚴或打不開的事故。

評價固井質量基本採用水泥膠結測井(CBL)

國內評價固井質量時絕大部分井採用CBL。CBL測井還不能完全真實地評價固井質量,特別是第二界面的膠結質量。儘管在部分井上加測了變密度測井(VDL),但是並不作為評價固井質量的標準,而只是作為定性參考。近年來從國外引進了SBT(扇區膠結測井),但只是在少數井上套用,也沒有相應的檢測標準,影響了該技術的推廣。

在國外,水泥外加劑和固井工藝、固井裝備等方面發展很快,但測井合格率只有80%左右。而我國的固井合格率10多年前就已達到99%以上,有的油田甚至連續幾年達到100%。實際我國的固井技術在外加劑的套用、工藝技術、固井工具、固井裝備等方面是比較落後的,落後的固井手段與優良的測井結果,這是矛盾的。

質量的檢測標準要求低

國外在評價固井質量的標準方面要求很嚴格,不單單以第一界面(CBL測井得出)的封固情況來評價固井質量,更主要的是檢查第二界面的膠結情況,並且參考投產以後層間是否發現竄流作為依據。評價固井質量時以CBL、VDL、SBT綜合評價,不單以CBL的結果為準。

國內評價固井質量還是基本採用CBL來評價:相對聲幅值小於15%定為優質,在15%和30%之間定為合格,大於30%的定為不合格。

外加劑總體質量不高

國內外加劑雖然在種類、數量上與國外相當,但質量和性能相差較遠,特別是某些外加劑的副作用大。有些外加劑雖然能抗高溫,但是溫度低於此溫度時,水泥漿又長期不凝。

對於油氣水層分布段長且非常活躍的長封固段防氣竄固井來說,尚無特別適用的外加劑。缺乏深井超深井固井用外加劑,特別是抗溫180℃以上高溫的緩凝劑、降失水劑缺乏。這說明國內在外加劑研究及套用方面還有許多工作要做。

固井設計方面和國外相比差距較大

隨著計算機技術和固井工藝技術的發展,國外普遍採用計算機對套管設計、注水泥流程等進行分析,研製與開發了相應的注水泥動態模擬與設計系統,大大提高了固井設計的針對性和準確性。國內目前的固井設計,包括一些複雜井的固井設計還基本採用人工設計。

固井研究的深度和廣度不夠

近年來,國內在固井工藝、外加劑、固井工藝等方面雖然取得了較大的進步,但是與國外相比,還有較大的差距。主要表現在基礎研究落後,同時研究的深度和廣度也不夠，這在一定程度上影響了固井質量的進一步提高。

雖然國內的固井質量一直保持在一個較高的水平上(各油田均近100%),有的油田連續幾年的固井質量一直保持在100%。但是仍有部分井的固井質量存在問題。主要表現在以下幾個方面:

部分探井的固井質量差

主要原因是對地層情況認識不清,井眼質量差,固井工藝技術套用不當,建井周期長,取心、電測和中途測試又拖延了完井時間,進一步造成了井眼狀況惡化,增加了固井的難度。

小間隙井眼固井質量差

根據各油田的實踐, 215.9井眼下入 177.8套管及 152.4井眼下入 127.0的套管的固井質量不易保證,一般比較差。

調整井、高壓氣井及複雜井的固井質量差

造成這類井聲幅測井不合格、管外冒油冒氣、試壓不合格等問題的原因是:調整井沒有很好地採取停注、放壓等措施,沒有摸清地層的壓力分布規律;高壓氣井沒有很好地採取“三壓穩”及綜合防氣竄技術,水泥漿的防竄性差;複雜井對影響固井質量的因素考慮不全面等。

深井、超深井固井質量差

深井、超深井固井由於井底溫度、壓力高,水泥柱上下溫差大,井眼壓差大,鑽井液密度和固相含量高,環空間隙小,泵排量低,提高頂替效率困難,給固井工藝、材料施工等方面提出了很高的要求。深井、超深井的套管程式一般是 508、 339.7、244.5、 177.8、 127,從而導致主要勘探目的層在深井段要面對小間隙、長封固段等複雜條件,固井質量難以保證。

深井、超深井固井完井管柱由於設計不完善,固井工具性能不能滿足要求,也會導致一些井出現較嚴重的固井問題。

與國外的差距

國內的固井技術近年來雖然有了較快的發展,但是和國外相比，還有較大差距。主要表現為:

(1)基礎研究落後，研究的深度和廣度也不夠。

(2)實驗手段缺乏，缺少專門評價水泥漿性能的儀器。

(3)固井工藝細節設計不完善，固井設計時對地質因素考慮少。

(4)外加劑品種和性能與國外相差較遠,配套性差，某些外加劑的副作用強。國外的油井水泥、外摻料及外加劑,自上世紀八十年代初開始以較快的速度發展,逐步形成系列化的產品;九十年代以來,在品種和數量方面的增長速度趨緩,但是加強了對水泥漿性能要求和不同外加劑基本性質和作用機理等方面的研究,在防氣竄劑、高溫緩凝劑、降失水劑、水泥石強度提高和抗衰減劑等外加劑方面進展很大,合成聚合物類產品成為主流,外加劑的另一個特點是一劑多效,外加劑性能的改進對於保證常規水泥漿的固井質量起到了積極的促進作用。

(5)計算機輔助注水泥設計及評價方面幾乎還是空白。

(6)固井施工的自動化程度低。固井技術研究的建議我國陸上石油工業發展的戰略方針是“穩定東部,發展西部”。東部主要是在老區挖潛和深層,西部主要為深井和超深井。複雜的地質條件和複雜的井身結構給固井工作造成了很大的難度,在一定程度上制約了固井質量的提高。東部油田已進入開發後期,由於在老油區長期的注水開採,破壞了地層原來的壓力系統,同一口井內多套壓力系統並存,油氣水處於動態,地層結構發生破壞,長期的注水開採使地層壓力變得相當複雜,綜合含水率不斷上升。東部油田平均含水達到80%,有的油田甚至達到90%以上,所有這些都嚴重影響了調整井的固井質量,不但影響了後期增產作業的實施,也造成了大量的剩餘可采儲量無法采出。

西部油田固井的特點主要是地層壓力大、溫度高,鑽遇地層壓力系統複雜,岩性變化大,井眼深。深井超深井的高溫高壓以及複雜的地下情況給固井工作帶來了很大難度,對固井工藝、固井材料、水泥漿性能等方面提出了更高的要求。由於深井超深井在固井方面存在的複雜性,使固井質量往往難以達到理想的效果。

許多多年來常期存在的固井技術難題現在仍然沒有很好地解決,固井技術遠未達到可靠的程度,嚴重影響了固井質量的提高。部分井固井質量差影響了勘探開發工作正常進行,在一定程度上制約了這些地區的勘探開發速度與效果。隨著我國油氣勘探開發的深入,複雜地質條件下油氣藏勘探開發領域的擴大,東部老油田綜合含水率的不斷上升,西部深井複雜井的鑽探,以及提高油氣勘探整體效益為目標的新要求,固井技術面臨著全新的挑戰。固井技術不僅要滿足鑽井完井工程和保護油氣層的需要,而且更要滿足提高勘探成功率、提高開發效益的要求。

發展前景

為了使油田固井質量不斷提高，使油田開採的效率提高，實際開採中，對於油田固井技術進行不斷地改進，從而使得油田固井技術得到不斷地發展。

油田固井技術的三次加密井固井技術

油田固井技術的三次加密井固井技術，能夠對薄差油層、表外儲層的問題進行進行很好的解決。由於薄差油層的面相對較薄、固封段的長度相對較長，因此，出於保護固井質量的原因，通過相應的措施，對油層相互竄同的問題進行調控。同時，需要預防原油層和進行調整後的油層間發生竄同現象。

基於此，對於油層全段的封固效果進行全面考慮。固井質量控制同時受到低滲高壓層的影響，因此，鑽井應該將孔隙和地層之間的壓力進行嚴格管理控制，通過施工時間的調整，施工難度的降低等措施使低滲高壓區的壓力得到釋放，從而滿足固井質量的要求。

油田固井技術塑性水泥漿技術

一般而言，水泥漿的抗拉能力差、抗壓能力差，具有脆性。油田深井眼中的間隙比較小，水泥作業過程中井壁的水泥環相對來說非常薄弱。但是，當進行油氣層射孔時水泥環遭受的衝擊力、壓力以及震動比較大，此時無疑會使油田的開採受到非常大的影響。基於此，利用早強增塑劑，使塑性水泥抵抗衝擊的能力大大增強，同時也使水泥的彈性增強，從而滿足石油開採的作業要求。

油田固井技術中深層高溫高壓長封井固井技術

①通過深井套管的浮箍技術和深井套管的浮鞋技術，能夠解決油田深井高壓高溫作業條件下的套管串的密封； ②當油田作業進行深井作業時，利用剛性扶正器，同時合理地使用施工道具，使施工頂替效率提高。

進行深井作業時，為了使神農水泥的抗高溫抗高壓的能力提高，在深井水泥中增加輔助劑，從而使失水問題得到有效的控制，無疑使得水泥強度增高。為了預防泥漿出現滲漏問題，一般使用低密度的水泥，對於油氣污染能夠做到有效的預防與控制。

油田固井技術的實施能夠使施工固井質量得到提高，從而能夠更好地進行油氣資源的開發。施工過程中，基於常規水泥漿滿足的前提下，儘量採用收縮率低、失水性低的水泥漿。另外，基於不同套管，對水泥漿配置方法進行最佳化，通過科學的固井技術使頂替效率提高。在油田高溫高壓作業條件滿足的前提下，通過科學的施工方法進行油田井下作業，使固井質量得到有效提高。