固井技术现状及发展趋势

固井技术现状及发展趋势

钻井生产技术服务公司 成月波

2003年12月2日

随着石油勘探开发领域扩大，钻井技术不断进步促进了固井技术的进步，固井新技术、新工艺、新材料的推广应用又促使固井作业水平及固井质量逐年提高。随着国内外勘探开发的需要和钻井技术发展，国内外固井技术也不断发展。

一、国内外固井技术

（一）油井水泥及油井水泥外加剂

油井水泥及油井水泥外加剂发展速度突飞猛进，国外基本水泥共有十三类水泥，油井水泥外加剂共有13大类200多个品种。为适应向API水泥标准的转化，我国油井外加剂也发展到10大类100多个品种。

1、基本水泥

目前国外BJ、福拉斯马斯特、道威尔、哈里伯顿和诺斯科等五大能源技术服务公司都生产基本水泥，我国只生产一类油井水泥（波特兰水泥）。基本水泥共有十三类：波特兰水泥、高铝水泥、市售低密度水泥、市售膨胀水泥、微细波特兰水泥、微细波特兰水泥和微细高炉矿渣混合物、高细度水泥、高炉矿渣、微细高炉矿渣、波特兰水泥和高炉矿渣的混合物、可储存的液体水泥、酸溶水泥、合成树脂水泥。

2、油井水泥外加剂

外加剂只能改变水泥浆的物理性能而不能改变其化学成分，水泥浆只不过是外加剂的载体。国外油井水泥外加剂主要以哈里伯顿、BJ、休斯、德莱塞、道威尔、西方五家公司的产品为代表，我国油井外加剂也发展很快，水泥外加剂品种比较多，主要分为13大类。包括：促凝剂、缓凝剂、降失水剂、分散剂、消泡剂、

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减轻外掺料（减轻剂）、加重外掺料（加重剂）、防漏外掺料（防漏剂）、防止水泥石高温产生强度退化的外掺料、触变水泥、隔离液和冲洗液、清除钻井液污染剂、特种外加剂。

（二）国外固井技术 1、新型“钻井”固井液技术

美国壳牌石油公司及几个其它石油公司的一批科研开拓者，在多功能钻井液（UF）性能、胶凝浆特性、泥饼固化、界面胶结等方面作了大量的实验（剪切胶结，激活剂的扩散实验，水平井大型井筒顶替模拟试验），研制出新型“钻井”固井液技术，只是在原有钻井液配方的基础上，添加不多的高炉淬厂渣或其它可水化材料，基本上不影响钻井液的其它性能。新型“钻井”固井液技术采用UF钻井、MTC固井提高了钻井液和固井液的相溶性，有效地解决了传统固井水泥浆与钻井液的不相溶问题，从而实现了第一、二界面的良好分隔和胶结强度，特别是提高第二界面的胶结质量，减少和阻止油气、水流体的层间窜通，而且由于激活剂的扩散和渗透，使泥饼形成了固化的致密泥浆，阻止循环漏失和水泥浆液柱回落。新型“钻井”固井液与普通油井水泥浆相比，调节性能的外加剂价廉，而且具有低失水、强度发展快、沉降稳定性好、耐污染等特点，新型“钻井”固井液技术淡化了顶替机理和顶替技术，解决了废弃钻井液排放造成的环境保护问题。

美国和加拿大用新型“钻井”固井液技术在4个油田进行了23口井的施工作业，以解决各油田存在的固井循环漏失及地层胶结不好问题。美国联合太平洋能源公司在开采了56年的老油田斯特霍顿油田应用使用多种油井水泥及外加剂始终没有解决第二界

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面胶结不好问题，而使页岩坍塌，导致水窜和油气窜发生，应用新型“钻井”固井液技术，解决此问题，提高了固井质量。

2、新型泡沫固井技术

新型泡沫有两种充气方法，一种方法是化学剂在水泥浆中起化学反应产生氮气，加入其它外加剂如稳泡剂等，形成一种均匀稳定的泡沫水泥，这一新型低密度水泥属原苏联科学家首创，并固了12000口井。

另一种方法为机械充气泡沫水泥。近几年来，美国哈里伯顿公司一直致力于机械注氮泡沫水泥浆固井技术研究与完善工作，研制开发了相应的外加剂、计算机控制系统及配套现场施工工艺技术。泡沫水泥浆由净浆、氮气、稳泡剂及水泥浆处理剂组成。现场施工时，由水泥车用含有各种外加剂的混合水配制净浆，通过氮气泵向净浆中注入氮气形成泡沫水泥浆，注氮量的大小可根据现场设计的水泥浆密度由计算机自动控制。

泡沫水泥浆具有如下优点：①低密度，最低密度可达到0.72g/cm3；②有利于提高泥浆顶替效率，这是由于泡沫水泥浆有较高的粘度，有利于驱替不易流动的泥浆；③具有相对较高的抗压强度（相同密度条件下）；④由于具有可压缩性，因此可以补偿水泥浆胶凝失重，有利于防气窜；⑤在高温高压条件下，相对常规水泥石具有更好的韧性；⑥具有良好的高温稳定性，可以用于深井固井作业；⑦具有相对较低的渗透率；⑧相对较低的作业成本，较常规低密度水泥浆成本降低三分之一左右。

哈里伯顿公司应用泡沫水泥浆替代常规漂珠低密度水泥浆固井取得了良好现场应用效果，在许多应用常规低密度水泥浆固井

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失败的地区应用泡沫水泥浆固井取得了良好的胶结质量。

3、“短候凝”水泥浆体系的固井技术

“短候凝”水泥浆体系是一种短候凝、短过渡、高早强、低失水、微膨胀的水泥浆体系，80年代中期美国做了这方面工作，只用于A级水泥，而没有考虑到低渗透、低失水。

90年代由BJ公司研究出来的“短候凝”固井水泥浆体系，成功运用到泰国湾得油田，90年代未期国内开始研究开发。

4、防窜固井技术

环空窜流是困扰固井作业多年的问题，窜流的成因分为三种。一是界面胶结不良造成的，主要原因是由于泥饼的存在，导致界面与地层胶结不良；二是水泥失重造成环空窜流；三是微裂缝-微环隙造成环空窜流，微环隙是由于水泥环不能很好与套管胶结造成的，而微裂缝则是在水泥环与地层之间或水泥环内产生的微小通道。

美国Talabani 等人提出了通过合理设计含有塑性材料的水泥有助于防止气窜的发生。他们通过室内实验证明，通过设计合理的水泥混合物可防止三种类型的气窜发生。第一种通过磁铁矿可消除发生在套管和水泥之间的气窜；第二种是通过添加一种特殊的材料（Anchorage Clay）能在一定程度上消除井壁上滤饼对水泥胶结的不利影响，改善胶结质量，防止井眼与水泥之间的气窜；第三种是添加合适的弹性材料，其机理为：在水泥凝固期间会出现复杂的压力变化，其双正玄波压力响应在水泥微观结构上产生裂缝，添加的弹性材料对压力动态起逆反应，消除水泥凝固期间的压力变化。

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5、水平井固井技术

20年代后期，为了提高油气产量，在美国德克萨斯州首先钻成了水平井，直到70年代末至80年代初，水平井钻井加速发展。水平井通常采用四种方法完井：①裸眼②割缝及带眼衬管③套管封隔器④用胶凝材料胶结套管和尾管。

国内外研究表明，成功地进行水平井注水泥应注意以下几方面：①减少和消除游离水及防止水泥浆固相沉降；②优化水泥浆性能；③环空最大程度地保持清洁；④套管居中；⑤上提下放旋转套管；⑥使用性能优良与水泥浆、钻井液配伍的冲洗液、隔离液；⑦正确的流变学设计，在地层破裂压力和孔隙压力范围内设计尽可能进行紊流顶替，在小井眼注水泥中大多数采用胶乳及AMPJ共聚体水泥体系，美国、飞利浦、道威尔的Dlacel-FL就是AMPS与丙烯酸的共聚物。

6、欠平衡井的固井技术

欠平衡钻井技术，以空气钻井为先锋，开始于本世纪50年代。在70年代，美国、欧洲、中东、前苏联以及我国的四川油田经过一段时间的孕育和理解开始应用该技术打开储层增产，但鉴于当时的勘探开发形势，人们的注意力集中在高压、高渗、高产油气田，对低压、低渗、低产油气田不太重视，因此该技术并未受到特别关注。

到了90年代，在美、加、欧洲被广泛采用，从而在世界范围内形成一股欠平衡钻井的热潮，仅1993年，也就是欠平衡水平井技术刚一兴起，加拿大就有200多口欠平衡水平井完钻，1994年美国、加拿大共完成欠平衡钻井976口，1995年达1210口。我国

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欠平衡钻井起步较晚，、中原、塔指、大庆、大港等油田结合自己的实际情况进行了欠平衡钻井试验，与此同时开展欠平衡井的完井技术。

（1）裸眼完井

大多数欠平衡井的完井，特别是为了保护油层而钻的欠平衡井，通常是裸眼完井。

裸眼完井仅适用于稳定性储层。为了完成一口欠平衡裸眼井，必须隔离产层，这样才可在不压井的情况下起出钻具，安装头和采油树。一项比较新的技术是在技术套管鞋处旋转一个临时胶塞，它是一种可膨胀式桥塞，可由串取出和安放，使用标准的打捞筒可完成坐封。

（2）欠平衡割缝管完井

割缝管完井是裸眼完井的发展，二者在钻井工艺方面是相同的，使用割缝管完井可提高井眼的稳定性，并经常与砾石充填相结合，然而，在下割缝管作业期间井控是个难题，为了完成这项工作，在某种程度上要求压井，不能强行下入或起出割缝管。

（3）套管完井

套管完井能够消除井眼稳定问题，如果欠平衡钻井是因为其他原因而不是为了保护储层，如提高机械钻速等，那么套管完井是最好的方式。

以上三种完井方式在常规钻井作业中很容易实现，但要实现欠平衡完井，前面两种方式都需要改进工艺，而欠平衡套管完井则根本不可能。从某种意义上讲，以上欠平衡完井通过挠性管钻机最容易完成，如果使用常规钻机，就目前的井口压力控制能力还

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难以实现欠平衡完井。 （三）国内固井技术

经过“七五”、“八五”、“九五”科研攻关，我国逐步形成18个陆上油田、八种油藏固井技术。主要固井技术包括：调整井固井技术、常规单双塞固井技术、双密度固井技术、双凝水泥浆固井技术、双级注固井技术、尾管固井技术、深井固井技术、小井眼固井技术、水平井固井技术、膏盐层固井技术、浅层气煤层气固井技术、泡沫水泥浆固井技术、泥浆转化为水泥浆固井技术。

18个陆上油田地质特点各不相同，各油田根据各自特点开展技术攻关，形成一系列固井技术。

1、四川油田主要固井技术 ①双级注固井技术； ②小井眼长尾管固井技术； ③高密度水泥浆固井技术； ④深井高压气井固井技术； ⑤防气窜固井技术； ⑥深井低压漏失固井技术； ⑦深井小环空间隙固井技术； ⑧深井厚盐层固井技术； ⑨泥浆转化水泥浆固井技术； ⑩多分支井完井技术。 2、大庆油田主要固井技术 ①调整井多压力层固井技术； ②薄层固井技术；

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③防窜固井技术； ④双级注固井技术； ⑤微珠双密度固井技术； ⑥尾管固井技术；

⑦深层气井固井技术（欠平衡井的固井技术）； ⑧水平井固井技术； ⑨侧钻开窗固井技术； ⑩小井眼固井技术； 3、胜利油田主要固井技术 ①水平井完井技术 a.固井射孔完井技术； b.筛管完井技术；

c.带管外封隔器的筛管完井技术； d.分级注水泥筛管完井技术； e.分支水平井完井技术； f.大位移水平井完井技术； ②侧钻开窗固井技术； ③侧钻尾管固井技术； ④小井眼丛式井完井技术； ⑤低压火成岩油藏完井技术。 4、辽河油田主要固井技术 ①小井眼固井工艺技术； ②尾管固井工艺技术；

③大位移延伸井的固井工艺技术；

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④超稠油油藏完井固井工艺； ⑤多分支井完井技术。 5、中原油田主要固井技术

①低渗透油田开发后期调整井固井技术； ②深井钻井完井技术； ③小井眼固井技术； ④岩盐层固井技术； ⑤煤气层固井技术； ⑥水平井固井技术； ⑦泡沫水泥浆固井技术。 6、吐哈油田主要固井技术 ①漂珠低密度水泥固井技术； ②泡沫水泥固井技术； ③防气窜固井技术； ④盐高地层固井技术； ⑤泥浆转化水泥浆技术。 7、油田主要固井技术 ①分级注水泥技术； ②超高压固井技术；

③浅层超稠油水平井完井技术。 8、塔里木油田主要固井技术 ①尾管固井工艺技术； ②超深井固井技术； ③盐膏层固井技术；

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9、滇黔桂油田主要固井技术 ①低密度双级固井工艺； ②高温地热定向井固井技术； ③高压气井固井技术。 10、华北油田主要固井技术 ①膏盐层完井技术； ②小井眼固井技术；

③潜山井尾管反挤水泥固井工艺。 11、江苏油田主要固井技术 ①调整井固井技术； ②水平井固井技术；

③江苏探区定向井固井技术； ④盐田防止水泥浆漏失的固井技术。 12、长庆、玉门油田主要固井技术 ①低密度高炉矿渣水泥浆固井技术； ②小井眼丛式井固井技术； ③延迟固井技术。

13、吉林油田主要固井技术 ①防漏防气窜固井技术； ②无固井技术； ③尾管固井技术； ④低密度固井技术。

固井工程不是单一工程，而是一个系统工程，结合相关专业，建立一个联合攻关技术部门，为了油田可持续发展以及满足油田

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勘探、开发需要，进一步开展欠平衡钻井完井、侧钻水平井钻井完井、分支水平井钻井完井、大位移水平井钻井完井等技术攻关。

二、围绕提高固井核心技术水平，开展主要工作

采用“压稳、居中、替净、密封”原则，达到“一居中、二保证、三压稳、十坚持”的综合工艺技术的要求。形成调整井多压力层固井技术；薄层固井技术；防窜固井技术；双级注固井技术；微珠双密度固井技术；尾管固井技术；深层气井固井技术（欠平衡井的固井技术）；水平井固井技术；侧钻开窗固井技术；小井眼固井技术。

（一）三次加密井固井技术

大庆油田经过多年的开发，油田综合含水不断上升，特别是喇、萨、杏等主力油田综合含水高达80%以上，为了油田持续稳产，动用薄差油层及表外储层，开展三次加密钻井，由于地下情况复杂，对固井质量要求越来越高，通过钻井系统联合攻关，形成一套适合于大庆油田三次加密钻井特点的固井配套技术，为今后油田全面进行三次加密调整奠定基础。

1、油田三次加密井固井施工难点 (1)固井质量要求高

三次加密钻井目的在于开采夹杂在主力油层之间的薄差油层及表外储层，油层多而薄，封固段长，在固井质量要求方面，既要防止被调整的薄油层之间互相窜通，又要防止被调整的薄油层与老油（或未动用的油层）之间窜通，因此要求全封固段封固良好。

(2)地层压力系统复杂

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由于大庆油田长垣各油田在纵向剖面上油层多，岩性、渗透性不均衡，经过两次加密调整，油层压力系统均发生了较大变化，同一次加密、二次加密时相比，有许多新的因素诱导了这种压力系统的变化，对三次加密钻井完井质量带来了不同程度的影响。

①低渗高压层

低渗高压层严重影响固井质量，这种高压层的特点是，形成缓慢，泄压困难。有的是在长期注水开发状态下，经历了数月甚至数年才形成的。钻井前，在有限的停注放溢时间内，很难将地层压力释放到所期望的压力范围内；特别是当前，由于稳产方面考虑，开发方面尽可能地缩短钻关时间及关井距离，这就为钻井完井施工增加了更大的困难。另外，在低渗高压区，即使是注水井井口压力释放到规定值，但也只能注明其井点附近有限范围内的泄压情况，具体设计预钻井位地层压力究竟多高，只能通过钻井时才能具体获得。

②多压力层系井固井影响质量

在同一口井的纵向剖面上，高低压共存，渗透性差异大，油气水分布不均衡，是大庆油田调整井的重要特点，特别是随着油田加密调整以来，由于注采不平衡等因素的影响，更加剧了这种层间矛盾。多压力层系井主要有“气层+高压层+高渗低压层”、 “气层+高压层+欠压漏失层” 、高低压层、欠压层交互存在、“易漏易吐复合层”几种表现形式，是油田含今后进行三次加密钻井、固井的重点和难点。

（3）三次采油对固井质量的影响

随着注水开发后期带之而来的油田综合水上升问题，三次采油

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技术已成为必然。室内试验已经证明，注聚合物、三元复合驱、泡沫驱油等三次采油技术大大提高了原油的采收率。但是三次采油技术改变了储层孔隙介质及物性，对三次加密钻井固井质量提供了新

的影响因素。影响包括一是注聚合物驱对固井质量的影响；二是三元复合驱对固井质量的影响；三是泡沫驱的影响。

(4)三次加密井网密集，钻井完井受注采不平衡影响程度更深 三次加密钻井布井原则基本上都是井间加井及排间加排，同二次加密时相比，井间距离由200m左右缩短到100m左右，因此，在布井的小区范围内，一旦出现注采不平衡，就很容易形成高压层或欠压层，从而影响固井质量。

(5)固井工艺相对复杂，对固井设备要求更加严格

由于三次加密钻井完井的复杂性，要求固井施工时必须采用先进而有效的工艺技术，如封隔器等机械工具及锁水抗窜剂等一些水泥外加剂，这些特殊技术增加了固井施工难度，因此也对固井设备提出了更高的要求。

(6)固井成本高，要求尽可能地降低钻井成本。 2、三次加密调整井固井配套技术 （1）套管保护技术

由于大庆喇、萨、杏油田套管损坏多数以上集中在油顶以上至标准层部位，因此固井时控制水泥面，给油顶以上部位套管留一个活动空间，是保护套管的一项有效方法。控制水泥面主要有三种方法：一是跟踪分析法；二是机械法控制水泥面；三是应用高抗挤套管。

（2）压稳与防窜、防漏技术

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①搞好地层压力预测

准确地获得一口井纵向剖面上地层压力（含破裂压力）变化情况是固一口井的重要条件。目前，除RFT测压方法外，利用电测资料计算地层压力则是一种即经济，又快速的压力预测方法。

②提前降低固井区块地层压力

降低高压层的地层压力，不仅有利于固好高压层，而对于层间压差较大的井，也可以缓和层间矛盾，防止高渗低压层处由于水泥浆失水而影响的水泥环胶结质量问题的发生。

③低渗高压层固井配套技术

一是合理设计洗井液密度；二是应用锁水抗窜剂和套管外封隔器

④高渗低压层固井技术

固好高渗低压差的关键在于控制水泥浆失水；因此应采取两种方法：一是采用低失水水泥浆，主要加降失水剂低失水外加剂等，降低水泥浆失水；二是应用优质钻井液，在井壁上形成致密泥饼。

⑤易漏层固井技术

针对易漏区块，三次加密钻井过程中应对易漏井采取防漏固井技术。主要包括五个方面：一是施工压力不超过循环井时最高压力（一般6MPa）；二是排控制施工排量不超过洗井最大排量（一般1.6 m3左右）；三是采用塞流顶替（返速<0.45m/s）；四是适当控制水泥浆密度（1.85-1.90g/cm3）；五是提高水泥浆流动性，降低环空摩阻（减阻剂、分散剂）。

⑥易漏易吐层固井配套技术

当三次加密区块一口井纵向剖面上高低压共存，易漏易吐等情

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况，应综合考虑运用高压层，易漏层多项技术。针对易漏易吐的“弹性地层”，固井时一定要坚持压稳的原则，钻井液密度必须高于设计上限，施工前必须将漏入地层的液体吐出，施工后关闭环空。

⑦气层固井技术

由于气体密度较低，固井候凝期间，一是窜入水泥环，就会迅速上移，在水泥环中形成孔道，因而就油气水三种流体对固井质量影响，而此体窜入最为严重，应采用锁水抗窜剂套及管外封防隔器。

（3）居中与替净技术 ①居中技术

套管居中是替净的必要条件，是确保环空水泥环均布的重要一环。统计资料表明，当居中度大于65%时，固井很好保证，当居中度低于45%时，固井顶替效率小于80%，固井质量就难保证。在套管尺寸一定条件下，井径越大，套管居中度越小，同时井眼的弯曲程度、井径变化率情况也决定了全井套管居中程度。提高套管居中度可采取两项措施：一是提高井身质量；二是合理地设计套管扶正器的卡放数量、位置。

②替净技术

为了替净采取五项措施：一是尽可能增加水泥浆与洗井钻井液的密度差；二是紊流顶替；三是合理的设计并应用前置液；四是井径变化率大于15%的井段使用旋流扶正器；五是活动套管。

（4）密封技术

实现固井后环空密封，对于三次加密调整井更加重要，而且随

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着薄层及表外层的开发，要求全封固段密封良好。目前实现密封效果主要有以下措施：

①应用粘砂套管

粘砂套管可以改善第一界面的胶结质量。 ②振动固井

振动固井技术是近年来发展的一门新的固井技术，理论计算已经表明，在振动波的作用下，水泥面的胶结强度能明显提高（此项技术已广泛应用于建筑业）。在三次加密过程中，应进一步试验和推广。

③应用高韧性、抗冲击水泥外加剂

高韧性水泥浆比常规水泥浆的8h、24h抗压强度均明显提高（8h提高3.7MPa，24h提高2.5MPa），第一界面胶结强度提高0.6MPa。

④使用优质钻井液，降低泥饼厚度，提高二界面胶结强度。 综上所述，以压稳、居中、替净、密封为目标的各项施工措施构成大庆油田三次加密井固井的核心技术，压稳是前提条件，套管居中是提高固井质量的保证，替净是提高固井质量的关键，密封是固井的目的。

（二）水平井固井（完井）技术取得突破

大庆油田水平井完井固井技术从“八五”起步，完成4口中曲率半径水平井完井固井施工，探索一套水平井固井工艺，到“九五”时期取得突破，完成1口探井水平井完井固井攻关，与此同时开展2口侧钻水平井完井固井攻关及现场试验及多口外围低压低渗油田及冀东油田阶梯水平井完井固井，其水平达到国内先进

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水平。

1、阶梯水平井固井难点

制约水平井固井质量的关键问题在于套管不易居中，使油基钻井液容易在套管及井壁上附着油膜，致使固井冲洗困难，顶替效率低；在斜井及水平井眼状态下，水泥浆易析水上窜，影响固井质量。

2、固井所采取的措施

一是封固段每4根套管间隔卡放一只弹性限位扶正器和一只刚性旋流扶正器，使套管居中度达到70%以上；

二是水平井钻井普遍采用油基钻井液（或混油钻井液），固井施工中，附着在井壁及套管壁上的油膜很难冲洗干净，为此选用了YJC冲洗液；

三是固井时使用了DSHJ湿混降失水水泥浆体系，使水泥浆失水量控制在50ml以内，自由水为0，较好地解决了固井候凝期间水泥浆析水上窜问题，提高了水泥环封固质量；

四是固井是使用了低密度前导水泥浆（密度1.75—1.80g/cm3），提高了冲洗效果和顶替效率；

五是固井替浆时均采用清水作顶替液，减少水平段套管内液体重量，有利于管柱居中，同时也有利于测井仪器安全下入和后期的完井作业。

阶梯水平井固井技术已经基本成熟，满足勘探、开发需要。 （三）深层高温高压长封井固井技术有明显进展

“九五”深井勘探已进入了多层位、多储集、多气藏类型，随着勘探发展的需求，对固井质量要求越来越高，“九五”期间通过

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使用新技术、新工艺，在水泥浆配方和完井技术方面求新求变，通过不断地技术攻关和现场试验，使深井固井技术水平和质量又上一个新台阶。

1、深井固井难点

井深增加，封固段长，井底温度高，井身质量不易保证，深层易气窜。以葡深1井为代表，该井是大庆油田井深最深（5500m）、地层温度最高（井底216.7℃）、封固段长（2100m），施工作业大，压力高，固井质量要求高。

2、深井固井工艺配套技术 (1)深井固井设计技术

针对深井地质特点和钻井工程中情况应用自行研制《固井优化设计软件》进行了套管强度设计、套管柱居中设计、注水泥流变设计，优选了固井施工参数，制定了合理的施工方案和施工技术措施。

(2)研制深井管串附件

一是深井套管浮鞋、浮箍，深井浮鞋、浮箍实现了深敞压候凝，解决了深井高温高压条件套管串附件密封问题；二是扶正器不断发展，原来刚性扶正器及弓形扶正器发展成为弹性限位扶正器，满足了深井套管扶正器需要。研制并应用套管弹性旋流扶正器和刚性旋流扶正器，以提高深井固井施工顶替效率。

(3)深井水泥外加剂

一是抗高温低失水水泥外加剂，对于井底温度高于120℃的深井，为达到水泥浆抗高温，控制失水，提高水泥石强度的目的；二是应用低密度水泥浆防漏，进一步发展防止油气层污染；三是

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由于深井封固段长、施工压力高、地层破裂压力不清，采用双密度水泥固井；四是深井固井配套应用抗高温防窜水泥浆，在“九五”初期以DPF2为降失水剂抗高温低失水水泥浆基础上，开发研制丁苯胶乳孔窜及直角候凝性能，稠化时间可调，在高温条件下水泥石强度满足需要；五是中深探井及深井普遍应用DSHJ降失水剂；六是应用新技术，科学解决超深井固井难题，应用抗高温水泥浆，提高深井高温条件下水泥石抗压强度，葡深1井使用的为引进DOWELL水泥浆配方。

(4)配套应用冲洗隔离液

“九五”期间，深井钻井全部采用油基钻井液，为了清除一、二界面油膜，应用优化组合冲洗隔离液即柴油+YJC冲洗液+清水隔离液。

(5)不同完井方法的应用

一是双级注固井工艺技术。双级注水泥工艺可以将一次长封固井划分为两次较短封固段固井作业，适用于深井长封固井作业，能减少一次注水泥固井施工难度，降低环空液柱压力，减少固井中发生漏失的可能性；二是应用尾管固井工艺技术，尾管固井可以节约套管，减少钻井成本。

（四）固井施工技术水平显著提高

随着固井施工技术不断发展与固井施工设备的不断完善，整个固井施工技术水平有了很大提高。

1、固井设计能力提高

根据大庆油田特点，在DOS环境下主要开发应用了《固井施工优化设计》。随着固井理论研究的深入和计算机技术的发展，在

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Windows系统环境下，完善开发了系列固井施工设计软件，包括《固井施工优化设计》、《水平井固井计算机辅助设计》、《深井固井优化设计》、《侧钻水平井优化设计》、《小井眼固井优化设计》。同时，为了借鉴学习外国的固井设计软件，引进了美国哈里伯顿公司《固井作业设计模拟》软件以及《摩尔钻井完井设计》软件。这些设计软件的研制与应用使固井整体设计水平有了较大提高。

这几套固井设计软件针对不同井型，能够进行套管强度设计、套管柱居中设计、注水泥设计，并且对设计参数进行计算机仿真模拟分析，从而使固井施工技术参数设计的更加科学、合理。

为了适应中油股份公司要求，进一步完善固井设计和施工配套，重新编制完善了固井施工优化设计软件，应用了以往成熟的理论研究成果，其特点是：一是首次以Office2000文档形式输出设计报告，方便了设计操作；二是与以往设计相比，增加了多级多密度、水平井尾管、尾管多级注等设计功能，使设计内容更加完善；三是输入数据时应用临时数据库技术，保证数据安全；四是输出报告采用石油系统通用的格式，增强了设计软件的适用性。

2、施工监测技术

95年引进CPT-Y4水泥车实现了固井施工泵压、排量、水泥浆密度自动实时监测，但只能在CPT-Y4水泥车使用，使用范围有限。

为固井施工全部实现自动监测、自动采集，钻技公司与北京计算机二厂共同研制便携式固井施工三参数监测系统，进行固井施工流量、压力及密度监测，并可以应用到任何水泥车上。

3、固井装备

固井设备从“七五”到“九五”逐渐更新，“七五”期间固井

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设备以国产水泥车黄河、T-148为主，水泥浆一次混配，多车注替，一般井都是“大型施工”；到85年引进PSM138水泥车，一般井2台车就可施工，实现了水泥浆二次循环混配，水泥浆密度均匀，易于控制；95年引进哈里伯顿CPT-Y4水泥车，实现了水泥浆密度自动控制，为多密度水泥浆固井施工带来方便条件。近几年购置SNC35-16及40-17自动密闭下灰国产大功率水泥车。 （五）管串附件与固井工具

固井工具与管串附件自“七五”以后开发形成系列化，随着人们对固井理论的研究与认识，固井后憋压候凝改变为敞压候凝，管串附件由阻流环发展到浮箍浮鞋，扶正器由单弓焊接式发展为铰链式弹性限位套管扶正器。深井、特殊工艺井固井工具进一步完善，对提高固井封固质量起到重要的作用。

1、浮箍、浮鞋

浮箍、浮鞋在油田各种井型广泛应用，已经形成系列。就结构型式来讲有单流阀弹簧助封式结构、浮球式、自灌式等水泥浇注结构，浮箍、浮鞋有∮339.7、∮244.5、∮178、∮139.7、∮114.3、∮101.6套管六种尺寸系列，完全能够满足小井眼、中深井、深井、斜井和水平井固井工艺的需要。

2、扶正器

扶正器包括：弹性限位套管扶正器；套管弹性旋流扶正器和刚性旋流扶正器；滚轮式刚性扶正器；变径套管扶正器。

3、固井工具不断开发应用

尾管悬挂器、双级注水泥工具是深井固井的重要工具；套管封隔器可封堵不同压力层段，避免层间混窜，封隔漏失层，提高固

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井封固质量；控制水泥面接头有效避免调整井套损问题；地层压力平衡固井工具与封隔器配合使用通过固后对环空加压有效控制高压层；水泥面控制工具、内管注水泥器，多种水泥头及液压式注水泥帽工具附件。

（六）科研开发工作 1、地层压力平衡工具

为了提高固井质量研制地层压力平衡固井工具。从注水泥结束到水泥浆在环空内的固化，压稳的作用只体现在水泥浆的“失重”之前，而失重的发生与变化受水泥材料本身质量、井内压力和地层渗透性等多方面因素的影响，因此“失重”是不可回避的，也是不可准确计算的。另一方面，水泥浆在井内的“过渡期”内，压力的降低与地层压力的平衡靠钻井液本身的液柱压力是远远不能达到的。因此，仅在地层上部进行封堵即单纯使用套管外封隔器，压稳对混窜的危险期是为力的。它仅仅能起到在没有形成混窜的危险期之前能初步形成压稳。应用地层压力平衡固井工具以后，通过对地层破裂压力和地层孔隙压力的计算，确定适合于高压层的环空压力，当高压层段环空液柱压力大于或等于地层的孔隙压力而小于地层破裂压力时，才能真正在水泥凝固过程中压稳地层，使环空水泥浆真正形成自身的水泥石强度及与套管和井壁形成牢固的胶结性能，从而达到在水泥石强度提高的同时，也防止了后期的混窜，才能压稳。

针对大庆油田长垣南部及外围三低油田注水开发后地质条件变化，局部井区呈现异常高压，给固井质量带来的严重问题，钻技公司开展了地层压力平衡工具的研制与应用。

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地层压力平衡工具与套管外封隔器联合使用，将工具和封隔器作为套管串的组成部分下至井内预定位置，固井施工时，替泥浆之前的所有工序与一次注水泥固井相同。当替泥浆胶塞到达本工具的内滑套时，出现碰压现象，然后用泵车进行蹩压，当压力达到套管外封隔器的施工剪销压力时，封隔器打开，胶筒膨胀，当确认封隔器已处于锁紧状态后，继续蹩压，剪断地层压力平衡固井工具的剪销，推动内滑套下行，将工具到浮箍之间的液体被压入环空，使环空压力升高，最终胶塞座封于浮箍上，确保电测水泥塞位置不超标。

应用地层压力平衡固井工具在朝阳沟、葡南、杏11区等区块（10口井）试验，见到一定效果。

2、可变径套管扶正器

为解决水平井、大斜度井以及常规直井大肚子井眼井段套管居中问题，开展了本项目研究。

一是通过套管内压力的传递使扶正器上的扶正臂按设计要求打开，通过液压作用使扶正臂支撑在井壁上，以提供足够的复位力；

二是在扶正器下井的过程中，保证扶正臂并拢，减小下入阻力，从而较好地解决套管串的下入问题。

三是可变径套管扶正器打开时与下胶塞配合来实现，即在固井前没有胶塞通过时，扶正臂无法打开，提高了安全性。

可变径套管扶正器应用于古龙地区（古93-74等）3口井大肚子井眼固井施工，该处固井质量胶结良好。

3、开展可视化固井施工现场监测与指挥系统研究

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该系统在固井施工过程中能够准确、及时地对固井施工参数进行现场监控，并能够动态模拟整个固井施工过程；同时在监控中心能够对固井施工状况进行监视，使固井施工指挥人员能够对固井施工动态及时掌握，出现问题能够及时判断并采取相应的措施，保证固井施工一次成功，从而减少因指挥失误而导致固井施工事故的可能性。开展可视化固井施工现场监测与指挥系统研究与应用，适应HSE要求，进军国际市场，对满足油田勘探、开发需要及开发外部市场必将产生重大的经济效益和社会效益。

其原理是将固井施工参数（入井流体的密度、瞬时流量、瞬时压力、累计流量）、施工现场动态（固井施工各核心环节及点项）以数字、图像信号的方式多点同步传送到设在施工现场的指挥监控中心，同时计算机处理系统同步处理施工数据，通过对综合数据分析，判断井下状态，对各种施工事故进行预警，将指挥中心的信息和指令及时反馈给施工人员。从而形成一套可视化固井施工现场监测与指挥系统，使施工指挥员能随时掌握固井施工动态参数和现场施工状况，做到对参与施工的全员、全程的统一指挥。

在完成固井工程设计软件（注水泥流变学设计、套管柱强度设计、扶正器安放位置设计）基础上，利用设计施工参数（密度、排量、压力等）与监测的实时动态施工参数（密度、排量、压力等）进行对比。能够通过动态对比情况，提示施工需调整的参数和施工操作失误，科学地指导固井施工。依据固井工程设计软件，研究注水泥过程模拟及顶替过程图形描述和井下顶替参数仿真计算。

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4、水泥外加剂

钻技公司近年来对水泥外加剂开展研究，研制出ZJ-101降失水剂及ZJ-102低密度高强度水泥浆，进一步提高复杂井固井质量。

（1）ZJ-101降失水剂

ZJ-101降失水剂选择的外加剂体系是由X和Y两种组分构成，X为降失水剂，是一种白色高分子聚合物溶液，加入水泥浆中聚合物分子吸附在水泥颗粒表面，改善水泥浆的颗粒分布，增加水泥浆间隙水的粘性，当水泥浆颗粒束缚成泥饼后，分子连环相互交错，形成阻止滤液滤失的错综复杂的聚合物网络，急剧降低水泥浆的失水，掺量较小，一般为水泥量的5%，而且其掺量的大小对水泥浆的早期抗压强度发展影响较小。Y是一种棕色液体，为低温早强剂，可以缩短水泥浆稠化过渡时间，提高水泥浆的早期低温抗压强度发展，并具有辅助降失水和减阻功能，其掺量一般为水泥量4%，X和Y外加剂的复合使用形成水泥浆体系，ZJ-101降失水水泥浆体系具有三个特点：①水泥浆的API失水控制在100ml以下；②水泥浆的稠化接近直角稠化；③低温下水泥石强度高。

为了满足现场固井施工需要，我们采用哈尔滨A级水泥，在40℃和45℃进行室内实验，同时和原浆水泥浆的性能进行了比较。水泥浆基础配方为： A 级+800g+X5%+Y4%+0.03%消泡剂,水灰比为0.44，通过调整水泥的加量可以使水泥浆的密度为1.90和1.95g/cm3，实验结果如表1：

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表1 ZJ-101降失水剂室内实验性能表

温度（℃） 40℃ 40℃ 40℃ 45℃ 45℃ 45℃ 项目 （原浆） （复配水泥浆） （复配水泥浆） （原浆） （复配水泥浆） （复配水泥浆） 密度g/cm 初稠（Bc） 至50BC时间（min） 至100BC时间 （min） 失水量（ml） 31.9 22 179 202 1850 1.9 17 65 70 44 1.95 22 53 58 43 1.9 23 90 121 1900 1.9 18 54 59 53 1.95 22 43 47 49 抗压强度 33原浆（密度1.90g/cm）:15.6 复配水泥浆（密度1.90g/cm）：24.7 （MPa） 3：32.8 38℃24小时 复配水泥浆（密度1.95g/cm）同时为安全施工，又进行了水泥浆的污染实验和相容性实验，结果如表2、表3。

表2污染实验：（稠化时间）

温度：40℃ 5%泥浆：95%复配水泥浆 初始稠度：23（Bc） 稠化时间：94(min) 25%泥浆：50%水：25%复配水泥浆 初始稠度：9（Bc） 稠化时间：>180(min) 温度：45℃ 5%泥浆：95%复配水泥浆 初始稠度：34（Bc） 稠化时间：79(min) 25%泥浆：50%水：25%复配水泥浆 初始稠度：10（Bc） 稠化时间：>180(min) 表3相容性实验

数据 配方 100%泥浆 100%原浆 100%复配水泥浆 25%：50%：25% 泥浆：水：原浆 25%：50%：25% 泥浆：水：复配水泥浆

旋转粘度计读数 Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 179 102 113 101 90 124 72 66 97 83 98 56 48 76 70 43 27 86 66 Φ6 15 21 5 45 52 10 16 4 33 32 Φ3 26

由上表可以看出，该外加剂体系不仅可以显著降低水泥浆的失水量，而且可以提高水泥浆的抗压强度发展，缩短过渡时间，流变性较好，可满足固井要求；污染实验表明，水泥浆被泥浆污染后，其稠度有所增大，稠化时间有所缩短，这是一般水泥浆所共有的特点，主要是由于水泥浆中的钙侵而引起的，打入一定的隔离液（水）可克服这一现象，泥浆、水、水泥浆污染混合实验表明稠度降低，稠化时间延长，有利于施工的安全性，同时相容性实验也说明，各体系间相容，流变性好。

（2）ZJ-102低密度高强度水泥浆

ZJ-102低密度油井水泥增强剂由较低密度、具有合理颗粒级配、富含SiO2材质的胶凝材料组成，能够提高改善水泥浆的整体性能，可减小水泥浆的游离液、失水量并能减小水泥石收缩、缩短候凝时间、提高水泥石抗压强度、抗腐蚀和防气窜的能力且不受使用温度和环境水质的。

ZJ-102低密度高强度水泥浆是基于紧密堆积理论和颗粒级配理论设计的。根据组成物料的特性，进行合理组合进一步加工，保证物料颗粒之间紧密堆积并具有良好的颗粒分布和颗粒级配。

ZJ-102低密度高强度水泥浆是根据组成物料间的物理化学作用来确定的。为了提高低密度水泥浆的性能，在体系中添加具有水化活性的物理材料，不仅能够发生自身的凝硬性反应，而且还可与水泥中的碱性物质发生胶凝反应，完全水泥物料的化学反应，提高水泥浆的整体性能。

ZJ-102低密度高强度水泥浆性能，根据具体的实验条件选用不同的外加剂，可配制出性能优良、不同密度的低密度水泥浆；不

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同密度的ZJ-102低密度水泥浆综合性能可见表4。

表4 掺增强剂的不同密度的低密度水泥浆推荐配比及性能

（循环温度56℃） 水 泥 浆 密 度（g/cm3） 流动度 cm 失水量 mL 水泥浆 游离液含量 mL 稠化时间 min 性能 24h 抗压强度 MPa 48h 1.4 240 36 0.0 141 14.0 16.4 1.5 235 34 0.0 153 14.3 16.6 1.6 235 28 0.0 138 16.2 18.9 1.7 235 24 0.0 120 18.3 21.1 1.8 235 24 0.0 108 19.8 22.6 为了满足安全施工，选用钻井现场常用的泥浆体系，在温度56℃条件下，分别对不同比例的混合液进行稠化试验和流变性试验，试验结果如表5：

混合流体 表5 污染、相容性试验结果

试验 初始稠度Bc 温度 56℃ 25 56℃ 9 稠化时间min 119 >180 5%钻井液：95%水泥浆 25%钻井液： 50%清水钻井液：25%水泥浆 混合流体 100%钻井液 100%水泥浆 试验 旋转粘度计读数 温度 Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 56℃ 136 104 88 68 14 56℃ 115 66 49 28 5 Φ3 11 4 25%钻井液： 56℃ 81 75 61 48 23 50%清水钻井液：25%水泥浆 3 水泥浆密度为：1.60g/cm；水泥浆配方为水泥：漂珠：增强剂:水:降失水剂：早强剂：分散剂

=100:14:24.5:62.3:3.0:0.8:0.3

相容性实验也说明，各体系间相容，流变性好。 （七）培养青年技术骨干

1、带领公司级学术带头人贾付山、杨哲坤等人开展局级科研项目可视化固井施工现场监测与指导系统研究。

2、带领公司级学术带头人李天群、朱长波开展公司级科研项目地层压力平衡工具研究及应用。

3、带领工程师郑琦铭开展低密度高强度水泥外加剂研究。 三、存在问题及下步工作

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1、调整井固井技术基本成熟，但是随着油田注采开发引起地下动态变化出现新问题，在已开发出外加剂基础上，开展调整井水泥浆降失水剂等外加剂研究与应用；

2、深井固井管串附件基本上满足深井工艺需求，但是超深井超高温管串附件有待进一步攻关；深井固井水泥浆基本成系列，能够解决高温高压长封井深井固井问题，但超深井超高温固井水泥浆有待进一步研究。

3、随着欠平衡井逐年增多，泡沫水泥浆及超低密度水泥浆固井技术有待攻关。

4、进一步推广应用地层压力平衡工具及变径套管扶正器，提高复杂井固井质量。

5、加快对特殊工艺井的固井技术研究过程，如分支水平井完井技术，不断储备新工艺、新技术，满足勘探开发的需要。

6、为了拓宽外部市场需要，盐膏层固井技术及煤气层固井技术有待进一步攻关。

7、为了提高固井施工水平，加快开展可视化固井施工现场监测与指挥系统攻关研究。

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