【正文】 2020 年度局學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人 技術(shù)報(bào)告會(huì)材料 固井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)公司 成月波 2020 年 12 月 2 日 1 隨著石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域擴(kuò)大，鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步促進(jìn)了固井技術(shù)的進(jìn)步，固井新技術(shù)、新工藝、新材料的推廣應(yīng)用又促使固井作業(yè)水平及固井質(zhì)量逐年提高。隨著國(guó)內(nèi)外勘探開(kāi)發(fā)的需要和鉆井技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外固井技術(shù)也不斷發(fā)展。 一、國(guó)內(nèi)外固井技術(shù) （一）油井水泥及油井水泥外加劑 油井水泥及油井水泥外加劑發(fā)展速度突飛猛進(jìn)，國(guó)外基本水泥共有十三類水泥，油井水泥外加劑共 有 13 大類 200 多個(gè)品種。為適應(yīng)向 API 水泥標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化，我國(guó)油井外加劑也發(fā)展到 10 大類100 多個(gè)品種。 基本水泥 目前國(guó)外 BJ、福拉斯馬斯特、道威爾、哈里伯頓和諾斯科等五大能源技術(shù)服務(wù)公司都生產(chǎn)基本水泥，我國(guó)只生產(chǎn)一類油井水泥（波特蘭水泥）?；舅喙灿惺悾翰ㄌ靥m水泥、高鋁水泥、市售低密度水泥、市售膨脹水泥、微細(xì)波特蘭水泥、微細(xì)波特蘭水泥和微細(xì)高爐礦渣混合物、高細(xì)度水泥、高爐礦渣、微細(xì)高爐礦渣、波特蘭水泥和高爐礦渣的混合物、可儲(chǔ)存的液體水泥、酸溶水泥、合成樹(shù)脂水泥。 油井水泥外加劑 外加劑只能改 變水泥漿的物理性能而不能改變其化學(xué)成分，水泥漿只不過(guò)是外加劑的載體。國(guó)外油井水泥外加劑主要以哈里伯頓、 BJ、休斯、德萊塞、道威爾、西方五家公司的產(chǎn)品為代表，我國(guó)油井外加劑也發(fā)展很快，水泥外加劑品種比較多，主要分為13 大類。包括：促凝劑、緩凝劑、降失水劑、分散劑、消泡劑、 2 減輕外摻料（減輕劑）、加重外摻料（加重劑）、防漏外摻料（防漏劑）、防止水泥石高溫產(chǎn)生強(qiáng)度退化的外摻料、觸變水泥、隔離液和沖洗液、清除鉆井液污染劑、特種外加劑。 （二）國(guó)外固井技術(shù) 新型“鉆井”固井液技術(shù) 美國(guó)殼牌石油公司及幾個(gè)其它石油公司 的一批科研開(kāi)拓者，在多功能鉆井液（ UF）性能、膠凝漿特性、泥餅固化、界面膠結(jié)等方面作了大量的實(shí)驗(yàn)（剪切膠結(jié)，激活劑的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，水平井大型井筒頂替模擬試驗(yàn)），研制出新型“鉆井”固井液技術(shù)，只是在原有鉆井液配方的基礎(chǔ)上，添加不多的高爐淬廠渣或其它可水化材料，基本上不影響鉆井液的其它性能。新型“鉆井”固井液技術(shù)采用 UF 鉆井、 MTC 固井提高了鉆井液和固井液的相溶性，有效地解決了傳統(tǒng)固井水泥漿與鉆井液的不相溶問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了第一、二界面的良好分隔和膠結(jié)強(qiáng)度，特別是提高第二界面的膠結(jié)質(zhì)量，減少和阻止油氣、水流體的層間竄 通，而且由于激活劑的擴(kuò)散和滲透，使泥餅形成了固化的致密泥漿，阻止循環(huán)漏失和水泥漿液柱回落。新型“鉆井”固井液與普通油井水泥漿相比，調(diào)節(jié)性能的外加劑價(jià)廉，而且具有低失水、強(qiáng)度發(fā)展快、沉降穩(wěn)定性好、耐污染等特點(diǎn)，新型“鉆井”固井液技術(shù)淡化了頂替機(jī)理和頂替技術(shù)，解決了廢棄鉆井液排放造成的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。 美國(guó)和加拿大用新型“鉆井”固井液技術(shù)在 4 個(gè)油田進(jìn)行了23 口井的施工作業(yè)，以解決各油田存在的固井循環(huán)漏失及地層膠結(jié)不好問(wèn)題。美國(guó)聯(lián)合太平洋能源公司在開(kāi)采了 56 年的老油田斯特霍頓油田應(yīng)用使用多種油井水泥及外加劑始終沒(méi)有 解決第二界 3 面膠結(jié)不好問(wèn)題，而使頁(yè)巖坍塌，導(dǎo)致水竄和油氣竄發(fā)生，應(yīng)用新型“鉆井”固井液技術(shù)，解決此問(wèn)題，提高了固井質(zhì)量。 新型泡沫固井技術(shù) 新型泡沫有兩種充氣方法，一種方法是化學(xué)劑在水泥漿中起化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)猓尤肫渌饧觿┤绶€(wěn)泡劑等，形成一種均勻穩(wěn)定的泡沫水泥，這一新型低密度水泥屬原蘇聯(lián)科學(xué)家首創(chuàng)，并固了 12020 口井。 另一種方法為機(jī)械充氣泡沫水泥。近幾年來(lái)，美國(guó)哈里伯頓公司一直致力于機(jī)械注氮泡沫水泥漿固井技術(shù)研究與完善工作，研制開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的外加劑、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及配套現(xiàn)場(chǎng)施工工藝技術(shù)。泡沫水泥漿由凈 漿、氮?dú)?、穩(wěn)泡劑及水泥漿處理劑組成?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由水泥車用含有各種外加劑的混合水配制凈漿，通過(guò)氮?dú)獗孟騼魸{中注入氮?dú)庑纬膳菽酀{，注氮量的大小可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的水泥漿密度由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。 泡沫水泥漿具有如下優(yōu)點(diǎn)：①低密度，最低密度可達(dá)到；②有利于提高泥漿頂替效率，這是由于泡沫水泥漿有較高的粘度，有利于驅(qū)替不易流動(dòng)的泥漿；③具有相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度（相同密度條件下）；④由于具有可壓縮性，因此可以補(bǔ)償水泥漿膠凝失重，有利于防氣竄；⑤在高溫高壓條件下，相對(duì)常規(guī)水泥石具有更好的韌性；⑥具有良好的高 溫穩(wěn)定性，可以用于深井固井作業(yè)；⑦具有相對(duì)較低的滲透率；⑧相對(duì)較低的作業(yè)成本，較常規(guī)低密度水泥漿成本降低三分之一左右。 哈里伯頓公司應(yīng)用泡沫水泥漿替代常規(guī)漂珠低密度水泥漿固井取得了良好現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，在許多應(yīng)用常規(guī)低密度水泥漿固井 4 失敗的地區(qū)應(yīng)用泡沫水泥漿固井取得了良好的膠結(jié)質(zhì)量。 “短候凝”水泥漿體系的固井技術(shù) “短候凝”水泥漿體系是一種短候凝、短過(guò)渡、高早強(qiáng)、低失水、微膨脹的水泥漿體系， 80 年代中期美國(guó)做了這方面工作，只用于 A 級(jí)水泥，而沒(méi)有考慮到低滲透、低失水。 90 年代由 BJ 公司研究出來(lái)的“短候凝”固 井水泥漿體系，成功運(yùn)用到泰國(guó)灣得油田， 90 年代未期國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)。 防竄固井技術(shù) 環(huán)空竄流是困擾固井作業(yè)多年的問(wèn)題，竄流的成因分為三種。一是界面膠結(jié)不良造成的，主要原因是由于泥餅的存在，導(dǎo)致界面與地層膠結(jié)不良；二是水泥失重造成環(huán)空竄流；三是微裂縫 微環(huán)隙造成環(huán)空竄流，微環(huán)隙是由于水泥環(huán)不能很好與套管膠結(jié)造成的，而微裂縫則是在水泥環(huán)與地層之間或水泥環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的微小通道。 美國(guó) Talabani 等人提出了通過(guò)合理設(shè)計(jì)含有塑性材料的水泥有助于防止氣竄的發(fā)生。他們通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的水泥混合物可防止 三種類型的氣竄發(fā)生。第一種通過(guò)磁鐵礦可消除發(fā)生在套管和水泥之間的氣竄；第二種是通過(guò)添加一種特殊的材料（ Anchorage Clay）能在一定程度上消除井壁上濾餅對(duì)水泥膠結(jié)的不利影響，改善膠結(jié)質(zhì)量，防止井眼與水泥之間的氣竄；第三種是添加合適的彈性材料，其機(jī)理為：在水泥凝固期間會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的壓力變化，其雙正玄波壓力響應(yīng)在水泥微觀結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裂縫，添加的彈性材料對(duì)壓力動(dòng)態(tài)起逆反應(yīng)，消除水泥凝固期間的壓力變化。 5 水平井固井技術(shù) 20 年代后期，為了提高油氣產(chǎn)量，在美國(guó)德克薩斯州首先鉆成了水平井，直到 70 年代末至 80 年 代初，水平井鉆井加速發(fā)展。水平井通常采用四種方法完井：①裸眼②割縫及帶眼襯管③套管封隔器④用膠凝材料膠結(jié)套管和尾管。 國(guó)內(nèi)外研究表明，成功地進(jìn)行水平井注水泥應(yīng)注意以下幾方面：①減少和消除游離水及防止水泥漿固相沉降；②優(yōu)化水泥漿性能；③環(huán)空最大程度地保持清潔；④套管居中；⑤上提下放旋轉(zhuǎn)套管；⑥使用性能優(yōu)良與水泥漿、鉆井液配伍的沖洗液、隔離液；⑦正確的流變學(xué)設(shè)計(jì)，在地層破裂壓力和孔隙壓力范圍內(nèi)設(shè)計(jì)盡可能進(jìn)行紊流頂替，在小井眼注水泥中大多數(shù)采用膠乳及AMPJ 共聚體水泥體系，美國(guó)、飛利浦、道威爾的 DlacelFL就是AMPS 與丙烯酸的共聚物。 欠平衡井的固井技術(shù) 欠平衡鉆井技術(shù)，以空氣鉆井為先鋒，開(kāi)始于本世紀(jì) 50 年代。在 70 年代，美國(guó)、歐洲、中東、前蘇聯(lián)以及我國(guó)的四川油田經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的孕育和理解開(kāi)始應(yīng)用該技術(shù)打開(kāi)儲(chǔ)層增產(chǎn)，但鑒于當(dāng)時(shí)的勘探開(kāi)發(fā)形勢(shì)，人們的注意力集中在高壓、高滲、高產(chǎn)油氣田，對(duì)低壓、低滲、低產(chǎn)油氣田不太重視，因此該技術(shù)并未受到特別關(guān)注。 到了 90 年代，在美、加、歐洲被廣泛采用，從而在世界范圍內(nèi)形成一股欠平衡鉆井的熱潮，僅 1993 年，也就是欠平衡水平井技術(shù)剛一興起，加拿大就有 200 多口欠平衡水平井完 鉆， 1994 年美國(guó)、加拿大共完成欠平衡鉆井 976 口， 1995 年達(dá) 1210 口。我國(guó) 6 欠平衡鉆井起步較晚，新疆、中原、塔指、大慶、大港等油田結(jié)合自己的實(shí)際情況進(jìn)行了欠平衡鉆井試驗(yàn)，與此同時(shí)開(kāi)展欠平衡井的完井技術(shù)。 （ 1）裸眼完井 大多數(shù)欠平衡井的完井，特別是為了保護(hù)