中国石油固井面临的挑战及攻关方向.docx

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中国石油固井面临的挑战及攻关方向

中国石油固井面临的挑战及攻关方向

2014-03-05能源情报

文/刘硕琼 齐奉忠，中国石油集团钻井工程技术研究院

固井是油气井建井过程中重要的环节之一，是一个涉及面广、风险大、作业要求高、技术性很强的隐藏性井下作业工程。

固井质量的好坏，直接影响到该井能否继续钻进、能否顺利生产、油气井寿命以及油气藏的采收率。

经过多年的技术研究，特别是“十一五”期间的技术攻关，中国石油（CNPC）在固井基础研究、固井工艺、水泥浆体系、固井工具及装备等方面取得了长足的进步，在深井固井、天然气井固井、水平井及大位移井固井暍大温差长封固段一次上返固井等方面取得了较大突破，较好地满足了复杂情况下固井的需要，为勘探开发提供了技术保障。

随着勘探开发目标向低渗透油气藏、深层油气藏、海洋油气藏、非常规油气藏转移，勘探开发的对象更加复杂，对固井工作提出了新的挑战。

1中国石油固井面临的形势

中国石油“十二五”勘探开发规划是：

原油稳中有升，天然气快速发展，非常规天然气步入接替。

到2015年，国内外油气当量可达,4.0*108t，国内、国外产量基本各占一半。

中国石油正全力推进西部大庆、新疆大庆和四川天然气工业基地建设，推进海外油气可持续发展，页岩气、煤层气、海洋油气成为三大接替领域。

由于以上战略的实施，固井工作面临的形势越来越紧迫。

1.1钻井工作量屡创新高，深井超深井数量快速增长

近年来，为满足储量高峰期工程和保持油气产量增长的需要，钻井工作量持续快速增长，屡创历史新高。

2012年，中国石油钻井21354口，钻井进尺42.5425Mm，钻井进尺较2005年增加99.03%。

钻井工作量增加，固井工作量也相应大幅度增加。

国内剩余油气资源40%以上分布在深层。

最近5年来，发现的,11个大型油气田，深层占8个。

油气上产必须动用深层油气资源，所以深井超深井钻井数量也越来越多。

2012年，中国石油完成,4000m以上的深井643口.增加幅度较大。

深井超深井固井施工风险大，对井眼准备、水泥浆配方设计及现场施工工艺等要求极高。

1.2天然气业务持续发展，储气库建设速度加快

中国石油把天然气作为战略性和成长性工程，长庆、塔里木和西南3个年产百亿立方米的气区为天然气生产的主力军。

“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，预计到2015年，产量将达到1200*108m3，天然气井钻井数量越来越多。

随着天然气消费与需求的快速增长，对保证市场平稳与安全的储气库建设的需求更加急迫，储气库建设已经列入中国天然气安全稳定供气的重点工程。

中国石油规划在“十二五”期间新建10座储气库，工作气量将达到,224*108m3。

天然气井及储气库固井对综合防窜、水泥浆配方、水泥环长期密封性要求高，固井难度大。

1.3非常规油气资源进入快速发展期

国内具有丰富的非常规油气资源，是常规油气资源的最佳补充。

我国主要盆地和地区的页岩气资源量为（15-30）*1012m3，致密砂岩气资源量约为12*1012m3。

致密砂岩气、煤层气暍页岩气等非常规天然气和重油、超重油、油砂、油页岩等非常规油是未来重点开发的资源。

到2015年，国内计划探明页岩气地质储量6000*108m3，可采储量2000*108m3，页岩气产量达到65*108m3。

目前，煤层气、致密气、页岩气已成为资源接替新领域。

煤层气井固井易漏失，致密油气井、页岩气井体积压裂对固井质量及水泥环的密封性要求高。

1.4海外业务快速增长棳地质条件日益复杂

“十一五”期间，中国石油建立了“中亚-俄罗斯中东、美洲、非洲、亚太”五大海外油气合作区；到“十二五”末，海外油气产量将达2.0*108t，规划要求自主勘探支撑5500*104t油气产量。

海外五大油气区勘探领域多、类型复杂，钻井复杂对象多，大多存在工程风险或地质风险，对固井技术及现场施工提出了挑战。

2近年来固井技术主要进展

经过多年的固井技术攻关，中国石油基本形成了系列配套的外加剂及水泥浆体系暍、固井工具和相应的固井工艺技术。

随着勘探开发工作的不断深入及持续研究，固井技术将得到进一步完善和发展。

2.1固井工艺

近年来，在深井固井、天然气井固井、水平井及大位移井固井、大温差长封固段一次上返固井等方面取得了很大突破。

适合于8类油藏的14种固井技术已经成熟配套，较好地满足了复杂情况下固井的需要，为油气勘探开发提供了工程技术保障。

2.2外加剂及水泥浆体系

近年来，陆续开发了低密度高强度、高密度超高密度、长封固段大温差、韧性膨胀等特色水泥浆体系。

外加剂现场用量稳步上升。

聚乙烯醇类降滤失剂已经成熟，用量大幅上升；AMPS类（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）降滤失剂克服了鼓包、包芯、及高温稳定问题，应用范围逐步拓宽；乳胶水泥浆抗温及抗盐能力得到提高。

抗温可以达到190°C，抗盐达15%；开发了防CO2腐蚀材料，形成了防腐蚀水泥浆体系，保证水泥石在富含CO2条件下的长期密封性能；磷酸盐水泥室内研究获得突破；开始研究自修复固井材料，并取得初步进展。

2.3固井工具及附件

尾管悬挂器、分级箍等常规固井工具及附件已经形成系列，占领了国内绝大多数市场，具有很强的成本优势；旋转尾管悬挂器、封隔式尾管悬挂器获得新进展，膨胀尾管悬挂器已经开始商业化应用；自膨胀材料及自膨胀封隔器研究取得突破，现场试验范围逐步扩大。

2.4固井装备

中国石油各油田固井装备水平（水泥车、干混和批混装置）得到进一步提高，水泥车进行了更新换代，混浆系统从常规射流混合器逐步演变成内循环射流混合器；密度自动控制、批次混配系统得到普遍应用；固井质量智能化控制系统研究取得初步进展。

2.5固井基础研究

针对天然气井固井后存在的环空带压问题，通过研究找出了环空带压的原因及影响因素，初步建立了环空带压分析的理论模型。

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，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。

针对页岩气井、致密油气井、储气库井固井问题，初步建立了非均匀地应力暍、温度、压力作用下水泥环受力模型，研究了水泥环密封失效力学机理及试验评估方法。

3面临的主要挑战

近年来，中国石油在固井方面虽然取得了很大进步，但是由于勘探开发目标趋于复杂，深井超深井、复杂天然气井、酸性气藏、致密油气井、储气库、海外复杂油气井及海洋低温深水等固井越来越多，固井工作面临新的挑战。

3.1深井超深井及复杂地层固井

塔里木库车山前、四川安岳、渤海湾深层平均井深超过6000m，塔里木克深区块井深接近7000m。

深井超深井对井眼准备、套管下入、抗高温水泥浆体系选择及性能、抗高温隔离液、固井工具和现场施工工艺等提出了极高的要求，保证安全施工及固井质量困难。

复杂地层固井主要包括复合盐层及高压盐水层固井、压力敏感性地层（窄安全密度窗口）固井、低压易漏长封固段地层固井等。

塔里木油田、土库曼斯坦的阿姆河右岸气田、哈萨克斯坦的肯基亚克盐下等存在巨厚盐膏层或盐水层；塔里木盆地的迪那及克拉苏区、四川九龙山等区块存在压力敏感性地层；四川盆地中上部地层、塔中碳酸盐岩地层等存在低压漏失性地层。

目前，抗盐或高密度盐水水泥浆和高密度盐水隔离液的性能还满足不了固井要求，压力敏感性地层固井前提高地层承压能力难度大，低压漏失层堵漏难度大、低密度、超低密度水泥浆综合性能还不能很好满足环空封固的要求。

3.2复杂天然气井及酸性气藏固井

随着勘探开发工作的不断深入，井下地质环境也越来越复杂，天然气井固井后环空带压问题也越来越突出，如川渝地区、塔里木油田、松辽盆地深层天然气、土库曼斯坦的阿姆河右岸气田等。

环空带压问题存在于固井后的任何时期，且处理难度大，成功率低，成本高，给后续生产带来了巨大的安全隐患。

H2S和CO2气体对水泥石、套管及工具具有腐蚀作用，会破坏水泥环的密封完整性。

松辽盆地深层高含CO2，西南油气田、土库曼斯坦阿姆河右岸气田天然气井高含H2S，需要进一步研究完善高含H2S，深层高含CO2抗温防腐固井技术，不同地层流体对水泥石强度、寿命、密封性的影响还缺乏深入研究。

3.3致密油气井及页岩气井固井

水平井多段压裂技术的突破，推动了页岩气的经济高效开发，国外致密油气主要采用“水平井+多段压裂”的开发方式来大幅提高单井产量，实现非常规油气藏的有效开发。

国内页岩气储量与美国相当，但是储存的地质条件相对更加复杂。

致密气、页岩气开发需要对储层进行大型压裂改造，固井质量直接影响分段压裂效果及井筒的完整性，对水泥环的密封性及水泥石力学性能要求高。

需要根据致密气及页岩气地层的岩石特性，优化水泥石力学性能。

另外，需要深入开展提高水平段固井质量及密封性的研究，为致密油气及页岩气开发提供技术

保障。

3.4枯竭气藏储气库井固井

中国石油在建的储气库有新疆呼图壁、华北苏桥、辽河双6库等6座，正启动华北兴9等第二批储气库建设项目。

在储气库的各项工程作业中，固井质量与储气库的寿命及长期安全运行紧密相关，井筒注采密封性是保证储气库寿命及安全运行的关键。

储气库井对一次固井质量要求高，对井筒密封性棬（管串、水泥环）要求高。

如果单井封隔质量差，将会影响整个井组的安全运行，且气窜、环空带压问题处理难度大，需要加强储气库固井技术研究。

3.5海外油气田复杂井固井

中国石油“两伊、中亚、南美”计划作业产量占海外油气总产量的80%以上，以上地区地层的固井难度大。

伊朗的南阿、北阿、南帕斯油田的储层非均质性强，压力系统复杂，裂缝发育；伊拉克的哈法亚、鲁迈拉、绿洲油田漏失严重，井壁不稳定，安全密度窗口窄；土库曼斯坦阿姆河右岸气田井眼深，地层压力及产量高，H2S含量高，含巨厚盐膏层；哈萨克斯坦的阿克纠宾地区固井封固段长，环空间隙小，存在井漏和气窜问题；委内瑞拉胡宁4油田存在位垂比大、摩阻大、钻进、下套管困难等难题。

目前，海外油气田施工区域逐步向难点地区推进，井下地质条件复杂，给固井技术及现场施工提出了更高的要求。

3.6海洋低温深水固井

我国是世界上海底油气资源非常丰富的国家之一，有“第二个波斯湾”之称。

中国海洋油气年产量达到5000*104t油当量，成功建成一个“近海大庆”，深水油气资源正在加紧勘探开发，致力再建一个“深水大庆”。

低温深水油气井固井存在井底温度低，安全密度窗口窄，地层易发生漏失等难题，固井时存在潜在的浅层水窜和气窜，固井风险大，封隔质量难以保证。

4下一步攻关方向

目前固井存在的问题棳总结起来主要有以下3个方面：

一是有待提高复杂井一次作业成功率；二是需要加强复杂地层层间有效封隔能力；三是进一步确保油气井长寿命情况下的封固质量。

尽管目前固井技术取得较大进步，基本形成了系列配套技术，但是面对复杂井固井仍然“有办法，无把握”。

为保证固井质量，为油气井的长期安全生产奠定基础，核心问题是实现3个完整性，即密封完整性、结构完整性和腐蚀条件下的完整性。

因此，需要在固井基础研究、功能性水泥浆体系开发、配套工艺技术、功能性固井工具及装备等方面开展深入系统的研究工作。

4.1固井基础研究

目前，固井应用技术研究多，基础理论研究少；短期技术研究多，长期深入性技术研究少。

在基础研究领域如顶替理论、环空带压、水泥环长期密封性、水泥石弹塑性改造及对密封的影响研究等方面与国外差距较大，需要深入开展以下研究工作：

1）提高顶替效率的理论及定量评价准则研究。

2）油气水窜定量评价及保证层间有效封隔的技术研究。

3）天然气井环空带压理论、预防及处理环空带压的综合措施研究。

4）水泥环密封准则、破坏准则及保证水泥环长期密封性的综合措施研究。

5）水泥石弹塑性改造方法、改造程度、功能性材料开发及对水泥石内部结构、环空长期密封性的影响研究。

4.2功能性水泥浆体系研究

近年来，水泥外加剂方面虽然进展较大棳但是总体来说，外加剂产品品种单一，精细化程度低；缺少高性能的缓凝剂、降滤失剂；对外掺料的研究不够深入，缺乏高性能的加重剂和减轻材料；系列化程度不高，外加剂主要集中在中低温、中温和中高温阶段及通用型等种类上，缺乏超低温和超高温的外加剂，在超高密度水泥浆、超低密度水泥浆、韧性水泥浆等方面与国外相比有较大差距，需要进行以下研究：

1）超低温（小于10°C）及超高温（大于190°C）水泥浆体系及配套外加剂研究。

2）超高密度（密度大于2.70Kg/L）及超低密度水泥浆体系（密度小于1.20Kg/L）研究。

3）高性能系列化水泥浆体系研究，高温下不降解、低温下缓凝作用低的降滤失剂及广谱型缓凝剂开发。

4）适用于储气库、页岩气及致密气固井的高性能韧性水泥浆体系研究，主要为弹塑性改造材料开发及配套外加剂研究。

5）提高水泥石抗超高温性能的材料研究，主要解决稠油热采井、地热井及煤气化井固井水泥石长期抗超高温的问题。

6）AMPS类降滤失剂及缓凝剂、抗盐胶乳、大温差水泥浆体系的持续完善及深入研究。

4.3功能性固井工具研究

国内在常规固井工具及附件方面已经成熟且形成系列，但是在高端及特殊固井工具方面仍需深入持续研究。

1） 保证套管外密封的固井工具研制，主要为套管外遇油遇水膨胀封隔器、高效封隔器等。

2）保证固井施工安全工具的研制，主要包括抗冲蚀的浮鞋暍、浮箍，耐高温高压及酸性气体密封可靠的固井工具（如分级箍、悬挂器等），金属密封的分级箍、液压式扶正器及其他特殊的固井工具等。

3）与固井工艺相配套的工具及附件棳，如与大位移井漂浮固井、半程固井及振动固井相配套的工具及附件等。

4.4配套固井工艺及固井装备

在固井工艺方面，需要对复杂超深井、复杂天然气井固井工艺等进行深入持续研究。

固井装备已实现了更新换代，但是在自动化、智能化及专家系统建立等方面工作仍有大量工作要做。

1）配套固井工艺技术深入研究，主要为复杂超深井固井、复杂天然气井固井、超长大位移井固井、深井小间隙井固井、特殊工艺井固井等。

2）固井装备方面要完善密度自动控制系统，固井装备逐步实现自动化、智能化、信息化，固井数据实现实时采集与远程传输和管理，建立大型固井数据库和技术软件平台系统。

5结论及建议

1）分析了中国石油固井面临的形势，对中国石油近年来固井技术进步进行了总结，随着勘探开发工作向复杂油气藏和非常规油气藏转移，固井难度越来越大。

2）建议进一步加强固井基础理论研究，固井基础理论研究要由定性化评价转向定量化评价，由理论研究转向指导现场应用。

3）针对储气库及非常规油气藏固井，建议进一步加强对改性材料、水泥石力学特性和长期密封性能的研究，加强对水泥环密封破坏准则的研究，为水泥石力学性能设计提供理论依据。

4）为满足日益复杂井筒环境固井的需要，建议加强水泥环密封失效力学机理、实验评估方法和固井新材料的研究，为油气藏安全高效开发提供技术保障。