超深井固井关键技术进展及实践

王晓明,杨昌勇

中原石油工程有限公司固井公司

摘要：我国陆上39%剩余石油和57%剩余天然气分布在深层，塔里木盆地克深、大北、博孜、顺北等，四川盆地川西北、川中、川东等，准噶尔盆地南缘等一批深层、超深层大油气田相继被发现，深层、超深层储层已成为油气增储上产的重要战略接替领域，也是未来若干年增储上产的重点。固井是保障“井资产”全生命周期安全生产和实现效益开发的关键工程技术，但固井过程中的深（埋藏深、超深）、高（超高温、高压）、窄（压力窗口窄、环空间隙小）、难（复杂多压力系统、钻井液污染大、顶替效率低）等工程难题，对深井、超深井固井关键技术提出严峻挑战。

关键词：超深井；固井；关键技术；

引言

随着油田开发不断深入，为了更大限度挖潜地下的石油资源，就需要在原来的开发基础上进行不断加密钻井，以此来获得更高的石油产量。油田开发，会受到注水采油、聚合物驱油等多个方面的影响，地下的地质情况和压力系统已经发生了根本的改变，因此导致固井后声检质量不合格，影响了油井的寿命，给油田开发造成了巨大的损失。

1、超深井固井关键技术的特点

超深井固井是指在地下超过5000米的深度进行的油气井固井作业。由于其深度和工况的特殊性，超深井固井存在许多挑战和难题。因此，针对超深井固井，发展了一系列关键技术来应对这些挑战。以下是超深井固井关键技术的主要特点：1. 高温高压环境适应能力：在超深井的施工过程中，井口的温度和压力往往会远高于常规井。因此，超深井固井技术需要具备适应高温高压环境的能力。这包括使用高温高压耐受的固井材料和配方、合理设计固井液体系以及适当的固井工艺和操作方法。2. 深井水泥浆设计与调整：超深井固井中，水泥浆的设计和调整至关重要。水泥浆要能够在高温高压条件下保持稳定性，并具备足够的流变性能来保证其能够填充完整井眼并形成良好的封隔效果。此外，要注意水泥浆的循环搅拌、排水和加压降温等因素，以确保固井效果。3. 高效施工工艺与装备：超深井固井的施工时间通常较长，因此需要高效的施工工艺和先进的固井装备来提高施工效率。例如，采用双稳态固井技术、多段压裂技术、泵浦输送系统等，可以减少施工时间，提高固井质量。4. 地下井控风险管理：超深井由于地下岩层变化、井漏等因素的影响，存在一定的井控风险。因此，超深井固井关键技术还包括地下井控风险管理。这涉及井漏监测与诊断技术、快速应对井漏事故的技术手段、有效地隔离和封堵井漏点的技术等。5. 超深井固井重点监测与评价：超深井固井完成后，需要进行重点监测和评价，以确保固井质量和安全。该技术涵盖固井质量评价、固井完整性监测、井底压力监测、水泥胶结质量评估等方面。通过对固井过程和效果的监测与评估，及时发现问题并采取措施加以解决。

2、超深井固井关键技术的原则

超深井固井是一项复杂而具有挑战性的工程，其关键技术的应用需要遵循一系列原则，以确保固井质量和安全性。以下是超深井固井关键技术的主要原则：1） 安全第一原则：安全是超深井固井工程最重要的原则。在整个固井过程中，必须始终将安全放在首位，严格遵守各项安全规范和操作规程。必须建立并执行严谨的安全管理措施，并持续监测和评估井场的安全状况。2） 适应地质环境原则：超深井固井需要根据地质条件制定相应的固井设计方案。针对不同地质环境，包括岩性、地应力、井眼轨迹等因素进行合理的评估和分析，选择合适的固井材料和固井液体系，并结合相应的固井工艺。3） 技术先进性原则：超深井固井需要借助先进的技术手段和装备。随着科技的发展，固井技术也在不断创新和进步。因此，在超深井固井中，要积极采用先进的固井技术和装备，以提高施工效率和固井质量。4） 优化设计原则：超深井固井的设计需要进行合理而优化的设计。这包括水泥浆配方的精确掌握、固井液的稳定性和可流动性的考虑等。通过综合评估不同因素对固井质量的影响，优化设计可以使固井过程更合理、更有效。5） 现场监测与控制原则：超深井固井施工中，应严格执行现场监测与控制措施。及时采集和监测重要数据，如固井压力、循环搅拌的效果、水泥质量等，以实时掌握固井质量和施工条件，并根据结果作出必要的调整和操作。6） 经验总结与教训应用原则：在超深井固井过程中，应及时总结经验教训。通过分析以往固井工程的成功和失败案例，总结出有效的方法和技巧，并在今后的实践中应用。这有助于提高固井技术的可靠性和可行性。7） 持续改进与创新原则：超深井固井工程是一个不断发展和进步的过程。为了应对新的挑战和难题，必须积极寻求改进和创新的机会。通过推动技术研发、加强合作交流等方式，不断提升超深井固井的技术水平和实践经验。

3、超深井固井关键技术的流程

超深井固井是在钻井过程中将钻井管道固定在井眼中，并通过水泥浆注入形成固定和密封的环保屏障，以确保油气井的安全运营和环境保护。下面是超深井固井关键技术的流程：1） 地质评价：在开始超深井固井过程之前，需要进行地质评价。这包括对井区地层结构和岩石力学性质等进行详细研究，以确定合适的固井方案。2） 井眼准备：在准备固井前，需要对井眼进行清洗和处理，以确保井壁的清洁和稳定。这可以通过钻井液循环来完成，同时使用刷洗工具分离井眼中的杂质和污染物。3） 固井封隔器布置：固井封隔器是固定固井管道的关键组件。在下井之前，需要根据井眼直径和井深选择合适的封隔器。然后，将封隔器安装在一根或多根固井管道上。4） 注水泥浆：注入水泥浆是固井的主要步骤。在这一过程中，水泥浆通过固井管道被注入井眼。为了提高固井质量和完成度，常使用水泥浆加压泵将水泥浆送入井眼，并通过固井头或封隔器中的喷嘴进行压裂。5） 固井质量评估：完成注入水泥浆后，需要对固井质量进行评估。这通常包括对注入水泥浆压力和浊度进行监测、记录和分析。如果固井质量不符合要求，可能需要采取补救措施或重复固井流程。6） 测试阶段：在固井过程完成后，进行测试阶段以确保固井效果。测试阶段包括检查固井屏障的完整性和密封性，以及通过排放余泥或液体来验证井筒的清洁度。7） 老化期和井身保护：固井完成后，会进入老化期。在这个期间，需提供适当的井身保护，以保证固井的持久性。这可能包括注入缓凝剂和钻井液来保护管道和井筒。8） 日常监测和维护：超深井固井完成后，需要进行日常监测和维护工作。这通常包括定期检查固井屏障的完整性，并通过各种测试手段来确保固井效果。

4、深井超深井钻井液面临的技术挑战

(1)深层超深层井壁失稳机理复杂。深层超深层裸眼段长，天然裂缝发育，易发生掉块、垮塌导致阻卡，甚至卡钻、井眼报废；井壁稳定受钻井液冷却、亚临界水活性变化等多因素影，井壁失稳机制不清，稳定井壁技术手段有限。（2）钻井液面临高温、高盐、高压等严峻挑战。超高温、高盐条件下，聚合物处理剂易降解、絮凝、构象转变，膨润土去水化；材料失效，钻井液流变、滤失、封堵、稳定等性能易失控；尤其当钻遇高压超高压地层（高压盐水层等）时需大幅提高钻井液密度，与超高温、高盐因素叠加，钻井液性能调控难度呈指数级增长；缺乏抗超高温高盐的钻井液材料。（3）深层超深层钻进摩阻高。钻进中钻井液沿程长（超过9000m），流动阻力高，沿程流体压耗可能大于50MPa，使钻井液当量循环密度（ECD）增高、井底压力波动大，易引发钻速低、井下复杂；现有润滑剂在高温、高盐条件下吸附性能恶化，降摩减阻效果极不理想。（4）深层超深层漏失概率高，堵漏难度大。深层超深层天然裂缝以及断层发育，大大增加了漏失概率。深部地层中裂缝性高压气藏中的天然气往往会伴随揭开新地层直接进入井筒甚至引发井喷现象，加之漏失安全密度窗口相对较窄，进一步加大了安全钻井液密度窗口选择的难度。

5、超深井固井关键技术进展的问题

超深井固井是一项复杂而具有挑战性的工程，其关键技术的进展面临一些问题。以下是超深井固井关键技术进展的几个主要问题：

5.1高温高压环境适应

超深井固井需要适应极高的温度和压力条件。然而，当前的固井技术和材料在极端环境下的稳定性和可靠性仍存在挑战。特别是在高温条件下，固井材料的热稳定性以及固井液的流变性能需要得到改进。

5.2水泥浆设计与调整

水泥浆对于超深井固井至关重要，它需要具备良好的稳定性和流变性能。然而，由于不同地质环境和孔隙结构的差异，水泥浆的设计和调整面临许多难题。如何根据地质条件进行精确的配方设计以及如何在施工过程中灵活调整水泥浆配方是困扰固井工程的问题。

5.3施工效率与质量平衡：超深井固井涉及到较长的施工时间，这对施工效率和质量控制提出了挑战。虽然先进的固井技术和装备可以提高施工效率，但在追求快速施工的同时，不能牺牲固井质量。如何在保证固井质量的同时提高施工效率是需要解决的问题。

5.4地下井控风险管理

超深井的地下岩层变化、井漏等因素可能导致井控风险。有效的地下井控风险管理对于保障超深井固井安全至关重要。然而，目前对于井漏发生机理和井漏的监测与控制手段仍存在不足，需要进一步的研究和探索。

5.5监测与评价手段的提升

超深井固井后的监测与评价对于确保固井质量和安全至关重要。当前已经有一些监测手段可用，如井底压力监测、固井完整性监测等，但对于超深井固井来说，仍需要更精确和有效的监测手段。此外，如何将监测数据准确地应用于固井质量评估和问题分析仍需要改进。

5.6经验积累与人才培养

超深井固井是一个不断发展和进步的领域，需要丰富的实践经验和专业技术人才的支持。然而，由于目前超深井固井在全球范围内仍属于较新的领域，相关经验相对较少。同时，超深井固井对技术人才的资质要求也很高，因此如何加强经验积累和人才培养是一个重要的问题。

6、超深井固井关键技术实践措施

为了解决超深井固井关键技术面临的挑战，需要采取一系列实践措施。以下是几个主要方面的实践措施：

6.1技术创新和研发：

  ①针对超深井固井的高温高压环境，需要开展材料与液体系统的研发，以提高其稳定性和可靠性。②加强水泥浆设计的研究，根据地质条件进行优化配方设计，并开展相关技术的调整与控制。③探索先进的固井工艺和装备，提高施工效率和质量控制。 ④加强井漏监测与控制技术的研发，提高井下井控风险管理能力。

6.2信息共享与合作

 ① 建立超深井固井技术研发与应用的信息共享平台，促进学术界、行业、企业之间的交流与合作。 ② 鼓励国内外石油公司、服务公司、学术机构等在超深井固井领域的技术研发与合作，分享经验与教训。③加强国际合作，借鉴国外的先进技术和经验，提高超深井固井技术水平。

6.3规范与标准

  ① 制定针对超深井固井的规范与标准，明确技术要求和验收标准。  ②完善超深井固井的质量管理体系，明确各个环节的责任和要求。   ③ 加强对超深井固井的监督与检查，确保施工符合规范与标准。

6.4人才培养与经验积累：

  ① 加强超深井固井领域的人才培养，包括培养专业人员、开展培训与交流活动等。 ②建立超深井固井经验库，对成功的案例进行整理与归纳，为实践提供指导和借鉴。

6.5进行试验与验证：

  ①在实际超深井工程中进行试验与验证，不断优化固井方案和技术参数。  ②将新技术应用于现场施工并进行跟踪监测，评估效果和改进措施。

6.6风险管理与应急响应：

  ①加强对超深井固井中的风险进行评估和管理。  ②针对潜在风险制定应急响应方案，提高施工中的安全性和应变能力。

7、超深井固井关键技术发展趋势

超深井固井关键技术是一个不断演进和发展的领域。随着石油工程的发展和对更深油气资源的探索需求，超深井固井关键技术将继续推动创新和改进。以下是超深井固井关键技术发展的几个趋势：

7.1应对高温高压环境

随着油气资源向深层开发和生产，高温高压环境将成为超深井固井的重要挑战。未来的技术发展将继续侧重于开发能够耐受极端条件下的固井材料和液体系统。研究人员将致力于开发新型材料、液体体系以及更先进的封隔技术，以应对更高温和更高压力的工况。

7.2完善水泥浆设计与调整

水泥浆在固井中的重要性不言而喻。进一步的发展将集中于优化配方设计和实时调整。通过大数据分析和数学模型，可以更准确地预测和控制固井过程中的水泥浆性能。同时，快速调整技术将得到改进，以满足复杂地质条件下的固井需求。

7.3提高施工效率与质量控制

超深井固井作业时间长且具有一定的风险，并且施工效率和质量直接影响油气勘探和生产的成本和安全性。未来的发展将致力于提高施工装备的效率和精度，并采用更智能化的技术来实现自动化和集成化。例如，机器人技术和无人机的应用能够提高施工过程的效率和质量控制。

7.4.加强地下井控风险管理

地下井控风险是超深井固井中的一大挑战。未来的趋势将集中在开发先进的井控技术和监测手段，以及相关的风险评估和预防措施。新的井漏监测技术、井下遥感技术和实时数据传输技术将在地下井控风险管理中发挥更重要的作用，以帮助减少井控事故的发生和处理。

7.5提升监测与评价手段

监测与评价是确保固井质量和安全性的关键。未来的发展将集中在研发更先进的监测技术和传感器设备，以提供更精确、实时的数据反馈。数据分析和机器学习技术也将应用于固井质量评估和预测，以提高固井效果的可预见性和控制性。

7.6强调可持续发展

随着对环境和可持续发展的重视，超深井固井技术将越来越注重环境友好性和资源节约性。研究将致力于开发更可持续的固井材料和化学品，并采用减少环境污染的工艺和操作方法。

结束语

未来，深层、超深层依然是我国油气勘探开发的重点，但勘探开发目标日趋复杂，固井难度日益增加，基于安全固井和全生命周期高效密封的深井、超深井固井技术研究意义重大。

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