中国石油固井技术进展及面临的问题.pdf

齐奉忠等 中国 石油固外技术进展及面临的问题 中国石油固井技术进展及面临的问题术 I 齐奉忠 刘硕琼沈吉云 刘子帅 I中国石油集团钻井工程技术研究院 摘要固井是石油工程技术领域的一个重要环节。经过多年攻关，中国石油固井技术取得 了长足进步，基本形成了 系列配套的固井材料、固井工具及相应的固井工艺技术。近年来，中国石油在深井超深井、水平井及大位移井、大温差长 封固段一次上返固井方面取得 了重要进展；超高密度及超低密度水泥浆、胶乳水泥浆、韧性膨胀水泥浆等在现场应用中取 得 了良好效果；常规固井工具及附件已经成熟，尾管悬挂器及 自膨胀材料方面取得突破；固井装备实现了更新换代，固井 质量智能化控制取得初步进展。由于油气勘探开发的对象日益复杂，下一步还需要在复杂超深井、复杂天然气井、储气库 井、非常规油气及低温深水固井等方面开展深入的研究工作，为油气增储上产提供强有力的工程技术支撑。 关键词 固井深井超深井天然气井水泥浆外加剂 固井工具 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 3 0 2 x ． 2 0 1 3 0 4 ． 0 0 2 固井是油气井建井过程的一个重要环节 ，也是衔 接钻井和采油工程的相对独立的一项系统工程 ，固井 质量的好坏，不仅直接影响到该井能否继续钻进和顺 利生产 ，而且还影响到油气井寿命和油气藏的采收率。 为了满足复杂深层油气藏、高酸性油气藏 、稠油油藏、 海洋深水油藏 、非常规油气藏 、枯竭气藏储气库及盐 穴储气库 、老油藏挖潜及海外复杂区块油气勘探开发 的需求 ，中国石油天然气集团公司 简称中国石油 进 行了多年的攻关研究，特别是 “ 十一五”的攻关研究， 基本形成了系列配套的固井材料 、固井工具及相应的 固井工艺技术 ，强有力地支撑了油气生产 。 ．1 固井技术取得 的主要进展 1 ． 1 固井工 艺 经过多年的研究与实践，适合于 8 种油藏的 1 4 种 固井技术已经成熟配套 ，在深井超深井 、复杂天然气 井 、水平井及大位移井 、大温差长封 固段一次上返固 井 等方 面 近年来 也 取得 了重 要进 展 。 1 ． 1 ． 1 深 井超深 井固井技术 近几年 ，钻井工作量持续快速增长 ，深井超深井 的数量也越来越多。据统计，“ 十一五”期间累计完成 6 0 0 0 m以上 的超深井 2 1 9口，是 “ 十五”期 间的 6 ． 3 倍 。 2 0 1 1 年中国石油完成 4 0 0 0 m以上的深井 5 7 1口，完成 6 0 0 0 m以上的深井 8 8口。 通过联合攻关和技术引进 ，在深井 、超深井固井 方面取得重大突破 ，主要包括针对性 的井眼准备及通 井措施保证套管安全下入技术 ，高性能抗高温高密 度 、常规密度 、低密度水泥浆体系 ，窄间隙高密度钻 井液条件下提高顶替效率 的综合措施 ，综合压稳及平 衡压力固井技术 ，保证 固井施工安全的措施等⋯。通 过上述技术 的集成配套及推广应用 ，较好地保障了深 层油气勘探开发的需要 。表 1为塔里木油田不同尺寸 套管 的下 深记 录 。 1 ． 1 ． 2复杂天然气井固井技术 近年来，中国石油天然气业务呈跳跃式发展的趋 势。天然气年产量从 1 0 年前的1 8 3 X 1 0 8 m 上升到2 0 1 2 年的 7 9 8 ． 6 1 0 m ，占国内总量 的近 8 0 ％。“ 十二五” 期间将着力建成 4个储量规模超过万亿立方米的大气 田，到 2 0 1 5年 ，产量预计 达到 1 2 0 0 X 1 0 8 m 。随着 天 然气井钻井数量的增多 ，地质条件越来越复杂，固井 难度及要求也越来越高l 2 I 。通过加强气窜失重机理的 研究，总结出影响气窜的主要因素，形成了综合防气 基金项目中国石油天然气集团公司重大项 目“ 钻井新技术新方法”中课题 “ 水泥环密封改性技术与仿生固壁钻井液技术” 编 号2 0 l I A一 4 2 0 7部分研 究成果。 第一作者简介 齐奉 忠 ，1 9 7 0年 生 ，硕 士 ，高级 工程 师 ，从 事 固井完井技 术研 究与现 场服务 工作 。Em a i 1 q f z 6 9 d r i c n p c ． C O I I 1 ． c n 。| j 。 | j ∞一 ；u g 一 201 3 4 5 表 1 塔里木油田不同尺寸套管的下深记录 套管 尺 寸 mI n 套 管 下深 in 井 号 3 6 5 ． 1 4 5 0 0 克 深 8 3 3 9 ．7 4 9 1 0 -2 8 克深 1 2 6 3 ．5 7 0 8 7 克 深 7 2 4 4 5 6 8 8 2 克深 1 0l 】 7 7 ．8 6 8 7 0 克 深 1 1 3 9 ．7 7 9 4 5 ．5 克深 7 窜 、防漏失的配套技术 ，在固井工艺 、固井工具 、水 泥外加剂、高密度隔离液 、防漏材料等方面都取得了 较大进步，对于保证如塔里木 、川渝地区、大庆庆深 气 田、吉林长深气田等地复杂天然气井的固井质量起 到了积极的作用 ，为塔里木 、长庆和西南 3个年产规 模超百亿立方米的大气区建设，以及青海 、新疆和大 庆 3个中型气区的安全高效开发提供了工程保障。 1 ． 1 ． 3水平 井及大位移 井 固井技 术 规模应用水平井开发是提高单井产量和提高采收 率的最佳途径 ，是克服 “ 多井低产”的有效手段 。中 国石油近几年来加大了水平井的应用力度 ，2 0 l 1 年完 成水平井 1 2 9 6口，2 0 1 2 年完成 1 7 0 1 口 图 1 o 一 口 ， l ， ℃ _r 一 1 0 0 5 ～ 8 O 6 6 O， ～ ～ ⋯ 鼹 9 S ～ 黧 一 l68 201 豳 羊 ⋯ ． ． ．圈 ．豳 ．豳 ． 2 0 0l 2 00 2 2 0 0 3 2 0 0 4 20 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 20 0 8 2 0 0 9 2 U l 0 2 Ul l 2 U l 2 年份 图 1 近年来中国石油完成水平井的情况 研究开发的固井 优化设计 、套管安全下入技术 漂浮下套管技术 、套管居中、提高顶替效率 、高性 能的水泥浆体系 低 失水微膨胀水泥浆及胶乳水泥 浆 、储层保护等配套技术 ，提高了水平井及大位移井 的 固井 质量1 3 j 。 1 ． 1 ． 4大温差 、长封 固段一次 上返 固井技术 近年来 ，勘探开发 向深层及复杂地层发展，大温 差 、长封固段固井越来越多。大温差固井是降低成本 、 钻井提速 、保证深层有效开发的技术手段之一。大温 差固井技术主要是通过配制紊流冲洗液 、配合加重隔 离液来提高顶替效率；通过优选强度发展快 、低失水 微膨胀水泥浆来保证对环空的有效封隔；通过优选高 性能敏感性低 的缓凝剂与降失水剂来实现长封固段一 次上返固井 ，防止顶面水泥浆超缓凝；采用双密度 、双 凝水泥浆 ，配合环空加 回压技术来实现平衡 压力固 井。塔里木油田的中古 6 2井，实现了低密度大温差 全井封固一次性上返 5 9 4 0 m；中国石油海外乌兹别 克 斯坦项 目的南贡 1 井实现了担4 4 ． 5 m m套管固井一次上 返 5 3 0 5 ． 5 i n ，水泥面上下温差为 1 2 5 。 1 ． 2 水泥外加剂及水泥浆体 系 目前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下的固井质量 1 ． 2 ． 1 水泥 浆 l, ／ J n 剂 1 降失水剂。 使用聚乙烯醇类 P V A 降失水剂已经成为成熟技 术，用量大幅上升；使用A M P S 2 一 丙烯酰胺 一 2 一甲基丙 磺酸 类降失水剂也已克服 l『 鼓包 、包芯及高温稳定等 问题 ，抗温及综合性能得到提高，应用范围逐步拓宽 、 2缓凝剂 。 通过分子结构设计，结合缓凝机理及降失水作用 机理 ，大温差及配套系列缓凝剂获得突破 ，形成 J ， 适 应不同温度及温差的水泥浆体系。DR H 一1 O O L大温差 缓凝剂 ， 适 用温度 为5 0～1 2 0 ℃； D R H 一 2 0 0 L 、 B C R 一 2 6 0 L 大温差缓凝 剂 ，适用 温度为 8 0～l 8 0 ；D R H一 3 l 0 S、 D R H 一 3 2 0 S 大 温差缓 凝剂 ，适用温度为 9 0 ～l 9 0 C 。开 发的大温差水泥浆体系适用温度范 围宽 ，适用温差范 围广 ，水 泥浆柱 顶部 强度发 展快 ，有利 于保 证深井 K 封 固段 的固井 质量 。 1 ． 2 。 2水 泥浆体 系 1超高密度水泥浆及超低密度水泥浆。 近年来超高密度水泥浆及超低密度水泥浆研发取 得重大进展 ，满足了复杂井眼条件下固井的要求 。钊’ 对低压 易漏地层 固井难 题 ，依托 紧密堆积 理 沦形 成 的 高强低密度水泥浆体系，具有水泥石抗压强度高且发 展快 、水泥浆稠化时间易调 、防窜防漏等优点 ，现场 应用最低密度为 1 ． 1 O g ／ c m， 。应用紧密堆积理论 ，研制 开发了密度范围为 2 ． 6 0～3 ． 1 0 g ／ c m 的超高密度水泥浆， 通过合理调配加重材料和粒度优化，使水泥浆的可泵 性和稳 定性 之间得 到协调 统一 ，町实现 常规工 艺连续 配注超高密度水泥浆 ，现场应用密度达 2 ． 7 8 g ／ c m I 、 2 胶乳水泥浆及配套外加剂。 针对复杂地层存在的高压防窜 、盐膏层及盐水层 6石油 科 技论坛 2 0 7 3车第 4期t 。 一 。 * ．一 一 0 O O O O ㈣删瑚㈣ ㈣伽 。 齐奉忠等 小国 油固井技术进展及面临的问题 固井的技术难题 ，开发了新型抗高温、抗盐固井用胶 乳及配套的外加剂 ，掌握 了胶乳水泥浆护胶等关键技 术 ，解决了胶乳水泥浆敏感性强和适用性差等技术难 题。目前，胶乳水泥浆抗温达 1 9 0 q C，抗盐达 1 5 ％。 3 成本低 、防 C O 腐蚀水泥浆。 吉林长深 、大庆徐家围子气田富含 C O ，井下酸 性气体在潮湿环境下会对水泥环产生腐蚀 ，使水泥石 抗压强度降低 ，渗透率增大 ，从而缩短天然气井的生 产寿命。针对高含 C O 气田的固井问题 ，开发了防 C O ， 腐蚀材料 ，形成了防 C O 腐蚀的水泥浆体系。该体系 综合成本低 ，防腐蚀效果 良好 ，能有效保证水泥石在 富含c 0 ， 条件下的长期密封性能。 4 韧性水泥浆。 针对枯竭气藏储气库对水泥石弹性 、塑性 、抗压 强度等力学性能的特殊要求 ，通过水泥环在井下受力 模型的分析 ，提出了水泥石弹塑性改造方法 ，开发出 了系列水泥石增韧材料。通过紧密堆积设计 ，开发了 韧性 水泥浆 ，在保证水 泥石具有较低弹性模量 的同 时，也具有相对较高的抗压强度。在中国石油 6座在 建的储气库 华北苏桥 、大港板南等 进行了成功应 用 ，为储气库的长期安全运行奠定了基础。 5 磷 酸盐水 泥浆 。 针对 C O 对水泥环腐蚀的问题 ，通过调整胶凝材 料 、调节材料及磷酸盐材料的配比，开发了磷酸盐水 泥浆。根据磷酸盐表面特征 ，开发了配套的降失水剂 及缓凝剂，解决了磷酸盐材料 、配套外加剂和磷酸盐 水 泥浆 3 个 方 面 的问题 。 1 ． 3 固井工 具及 附件 1 ． 3 ． 1 常规 固井工具及 附件 目前 固井工具和附件 的研制与开发基本形成 规 模 ，前沿技术 日益成熟。研发的系列化常规固井工具 ， 如尾管悬挂器 、分级箍 、套管外封隔器、内插工具、浮 鞋及浮箍 、套管扶正器等工具和附件 ，基本满足了国 内及海外 固井的需求 ，部分固井工具及附件的质量及 可靠性已接近或达到国外产品水平 ，占领了国内绝大 多数市场份额 ，具有很强的成本优势_ 5 l 。 1 ． 3 ． 2 尾管悬挂器 近年来， 研制的抗高温 抗温达 1 5 0 C 耐腐蚀 H ． S 和 C O 尾管悬挂器及其附件满足了高温高压高含腐蚀 油气井固井的要求。研制的封隔式尾管悬挂器集成了 悬挂器和尾管顶部封隔器两种功能 ，防止因水泥浆返 高不够或水泥胶结质量差造成的重叠段封固质量不好 的问题。旋转尾管固井工具成功实现了旋转 、坐挂 、丢 手和固井等各项功能，不仅有利于尾管顺利下到设计 位置 ，而且能够提高顶替效率 ，从而达到改善固井质 量的目的。膨胀尾管悬挂器已经商业化应用 ，该悬挂 器环空金属密封，密封压力高，不受温度影响；悬挂力 大，悬挂器通径大；在下放和固井时可以实现旋转。 1 ． 3 ． 3 自膨 胀材料 及 自膨胀 封隔器 为解决环空封隔及水平井封隔问题，开展了自膨胀 材料及系列 自膨胀封隔器的研制。自膨胀材料包括遇油 膨胀材料和遇水膨胀材料。依托自膨胀材料开发了防窜 自膨胀封隔器和代替固井用自膨胀封隔器。防窜 自膨胀 封隔器为解决固井后水泥环微环间隙、欠胶结引起的油 气水窜问题提供了新的辅助密封手段。代替固井自膨胀 封隔器为低压油气井、长水平段水平井、多分支井分段、 分支封隔等提供新的技术，密封压力可达 3 0 MP a以上。 1 ． 4 固井装 备 1 ． 4 ． 1 固 井装 备实现 了更 新换代 各油田固井装备水平 水泥车 、干混及批混装置 得到进一步提高，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重要作用。目前水泥浆 自动混拌 、密度 自动控制、连续批量混合系统得到普遍 应用 ，全 自动混浆自动控制系统开始研发。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 ，有利于保障固井质量及施工安全。 1 ． 4 ． 2 固井质量 智能化控 制 系统 已现雏形 固井质量智能化控制系统包括仿真模拟模块 、在 线监测模块 、智能控制模块 、软件控制模块等 ，固井 时可以实现设计与监测相结合。目前 ，固井质量智能 化控制模拟系统原理样机正在组装 ，目前已现雏形。 1 ． 5 固井技术基础研究 1 ． 5 ． 1 初步建立了天然气井环空带压理论模型 针对天然气井固井后存在的环空带压问题 ，通过 深入研究，找出了天然气井环空带压的原因及影响因 素，建立了环空带压分析的理论模型 ，提出了已带压 井环空带压判定标准及未带压井减缓环空带压 的技术 方案 ，对带压井的安全现状进行了评估 ，提出了漏气 的处理措施。但是 ，在处理及补救天然气井环空带压 一 。 。 l 201 3 问题上 ，仍需要进行深入的研究工作 。 1 ． 5 ． 2 开 展 了紧 密堆积水 泥浆体 系研 究 低密度及高密度水泥浆存在混合和顶替时最优的 水泥浆性能与凝固水泥进行长期层问封隔时所要求的力 学性能之间的矛盾 ，紧密堆积理论的应用提供了一条有 效的解决途径。近年来 ，对紧密堆积理论进行了较为深 入的研究，分析了其微观机理，给出了刚性体和脆性体 的紧密堆积模型设计，对紧密堆积水泥浆体系的堆积率 进行 l『 理论设计。紧密堆积理论的应用，为优化低密度 及高密度水泥浆的综合性能提供了理论指导。 1 ． 5 ． 3进行 了水泥环不收缩及弹塑性改造技术研究 针对页岩气 、致密油气 、储气库 固井问题 ，初步 建立 了非均 匀地应 力 、温度 、压力作 用下水 泥环受 力 的模型，提出了水泥环密封失效力学机理及实验评估 方法，分析了不同体系低密度、常规密度 、高密度水泥 浆水泥石的力学性能，开发了韧性水泥浆体系。该水 泥浆体系综合性能良好 ，能够有效降低水泥石的弹性 模量 ，使水泥环在长期交变应力下保持力学完整性 6 。 2 中国石油 固井面临的一些问题 中国石油作为我国最大的油气生产企业，面对能源 需求、环境压力与日俱增的局面，实施了 “ 油气并举” 、 绿色发展战略。为满足储量高峰期工程和保持油气产量 箭头朝上的需要 ，钻井工作量持续快速增长，屡创历史 新高。预计剑 2 0 1 5 年钻井进尺将达到4 0 0 01 0 4 m以上。 随着石 油天然气 勘探 开发工作 的不 断深入 ，油气 勘探开发 的对象 日益复杂 ，不仅钻井数量逐年增加 ， 井打得越来越深 ，而且高压油气井 、高含 H， S井 、高 含 C O ， 井 、深 井 、超 深井及 复杂结构 深井 、非常规 油 气资源井等也越来越多 图 2 ，难度越来越大 ，对固 井质量的要求越来越高 ，出现的问题及难点也越来越 多 ， 同井 作业 面 临严 峻 的挑战 。 深井 、趟深井对套管下入 、固井工艺 、水泥浆体 系、固井工具及附件等要求极高，固井施工风险高，固 井质量不易保证。中国石油在 固井技术方面虽然取得 了很大进步，但是在复杂深井超深井、复杂天然气井、 酸性气藏井 、致密油气井 、储气库井 、海外复杂油气 井及低温深水固井等方面 ，离 目前勘探开发的需求还 有一定距离 ，固井质量不仅难以保证 ，而且应对复杂 地层和复杂井况的技术手段 、技术储备也不足 ；特色 8石 接沦坛 - 2 D 7 3车劳 4期． - 6 0 H0 5 0 0 吾4 0 0 一 妊 3 0 0 杀 2 O 0 l O 0 0 5 7l 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 08 2 0 0 9 2 Ul 0 2 01 1 年份 图 2 中 国石油近 几年 完成 的深井 和超 深 井数 量 水泥浆及外加剂、固井工具 、多功能水泥浆体系研究 滞后 ，质量检测手段和评价方法落后。 固井是钻井工程的重要环节之一，“ 百年大汁”质 量 为本 。随着 勘探 开发 的逐 步深入 ，固井 会 面临 更加 复杂的地质条件。固井技术要想进一步创新发展 ，解 决制约固井问题的 “ 瓶颈”技术一是要打造一支一 流的专家队伍 ，创造一流的研发实验室和固井技术支 撑 中 t2 , ；二是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 、施工 没汁、措施落 实，确保固井成功与固井质 ； 足要进一步加大科 研投入，加强 固井技术攻关和技术装备丁具 、材料的 研 制 ，加 强技 术引进 和 新技 术推 广 川j _ 作 ． ． 【 参考文献 】 ⋯周仕明， 丁士东， 马开华． 中国石化固井技术进展【 AI ． 见 2 O 1 2 年 固井技 术研讨会 论文集 『 C】 ． 北京 石 油工业 出 版 社 ． 2 0 1 2 ． f 2 1 齐奉忠， 刘硕琼， 杨成颉， 等． 国内复杂深井固井现状及 技术需求分析f AI ． 见 2 0 0 8年全国固井技术研讨会论 文集I c 1 ． 北京 石油工业 出版社， 2 0 8 ． 【 3 1 丁士 东， 桑 来玉， 周仕 明． 中国石化 复杂地 层深 井超 深 井固井技 术 f AI ． 见 2 0 0 8 年 全 国固井技 术研 讨会论 文 集I c ] ． 北京 石油工业 出版社， 2 0 0 8 ． I 4 】 齐奉忠， 刘硕琼， 杨成颉， 等． B P墨西哥湾井喷漏油事件 给 深井 固井作业的启elJ I ． 石 油科技论 坛， 2 0 1 1 ， 3 5 4 5 - 4 8 ． [ 5 1 齐奉忠， 刘硕琼， 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