中國石化深層超深層油氣井固井技術新進展與發展建議

曾義金

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室,北京 102206；2.中石化石油工程技術研究院有限公司,北京 102206）

油氣井工程中，為了保持井筒穩定和地層–套管環空長效密封，通過注水泥固井封隔油、氣、水層，為持續鉆探、完井開采提供安全作業環境。固井工程是建井技術的核心環節，直接影響鉆井安全、工程成本、油氣井壽命甚至油氣開采效率。中國陸上深層超深層地質條件復雜，尤其是塔里木盆地和四川盆地海相油氣藏存在埋藏深（超8000 m）、高溫高壓（溫度超200 ℃）、富含酸性氣體（如元壩氣田H2S 含量6.87%，CO2含量15.51%）和分段改造作業壓力高（深層頁巖氣壓裂壓力≥90 MPa）等問題，固井施工面臨一系列技術難題[1–4]：

1）復雜地質環境及工況下的水泥環力學響應與損傷機制不清。對大型儲層改造工況下的復雜交變動載，以及CO2和H2S 等高酸性氣體、流體沖蝕等復雜地層界面環境的影響機理研究不充分，導致水泥漿材料與體系的構建缺乏理論依據。

2）水泥漿功能材料缺乏，水泥環力化性能差，易脆性開裂、導致環空氣竄。常規水泥石為脆性體，彈性模量高（高于10 GPa）、滲透率高（高于0.2 mD）和腐蝕速率高（高于1.0 mm/a），不能滿足復雜油氣井水泥環長效密封的要求。例如，涪陵頁巖氣田一期井口帶壓率高達70%。

3）尾管懸掛器承載不足，易腐蝕。常規尾管懸掛器承載低（低于1800 kN）、不耐腐蝕，深井超深井尾管懸掛器坐掛、丟手成功率低，常出現套管下放不到位的問題，難以滿足超深井復雜環境需求。

4）固井設計與施工精細程度不足。常規固井關鍵參數設計依賴于經驗，精準指導固井施工難度大，固井頂替效率差（低于65%），無法保證固井質量與施工安全。

針對上述技術難題，中國石化經過10 余年技術攻關，在固井方法、材料與裝置、工藝和技術等方面取得了突破，揭示了水泥環密封失效機理，研發了高性能固井水泥漿，研制了新型尾管懸掛器，提出了優化設計新方法。這些成果應用于現場后，解決了深層超深層油氣井固井關鍵技術難題；同時，以“極端環境、綠色環保、智能跨越”為理念，持續進行傳統固井技術升級迭代，有力支撐了我國深層超深層油氣高效勘探開發。

1 水泥環密封失效機理及控制方法

1.1 水泥石力學性能演化規律

常規水泥石單軸壓縮、三軸壓縮、直接/間接拉伸等力學試驗所獲取的抗壓強度、彈性模量和抗拉強度等力學參數[5–6]，已無法滿足深層超深層油氣井水泥石力學、物化性能的定量設計的需要。為此，研制了全尺寸水泥石密封評價裝置[7]，消除了尺寸效應，該裝置耐溫200 ℃、耐壓150 MPa（見圖1）；建立了水泥石密封能力定量評價方法，可模擬高溫、高壓、交變載荷和流體沖蝕等環境條件下的水泥石密封能力演化過程。

圖1 全尺寸水泥環密封評價裝置Fig. 1 Full-size cement sheath sealing evaluation device

試驗研究結果表明，高溫高壓下水泥石表現為高彈性模量（高于10 GPa）、脆性劈裂，在溫壓場耦合下產生顯著的塑性變形，無明顯宏觀裂縫，但收縮顯著。周期交變荷載作用下的水泥石應力–應變曲線如圖2 所示（σ為水泥石的應力，MPa；ε為水泥石的應變）：第1 次加載卸載后應變不可完全恢復，產生殘余應變；第2 次加載卸載后繼續產生殘余應變；殘余應變逐漸累積，多次加載卸載后殘余應變率達0.60%～0.95%。研究表明，殘余應變與循環次數、水泥石彈性模量及孔隙度呈正相關，主要由水泥石的孔壁坍塌和壓密塑性變形導致。

圖2 交變荷載下水泥石應力–應變曲線Fig. 2 Elastic-plastic constitutive model of set cement under alternate loads

為此，建立了水泥石剛度退化模型、累積塑性應變與荷載水平及荷載周期的函數關系（見圖2）；同時，推導了考慮損傷閾值的力學本構模型：

式中：σ1為水泥石最大主應力，MPa；σ2，σ3為水泥石次大和最小主應力，MPa；ε1為最大主應力方向的應變；εd為擴容屈服點處的應變；Td為水泥石損傷時強度，MPa；I1為球應變張量的第一不變量；J2為偏應力張量的第二不變量；αd，B1為水泥石達到擴容時的材料強度參數，由水泥石的黏聚力cd及內摩擦角φd確定；E為水泥石彈性模量，GPa；μ為水泥石泊松比；S0為水泥石宏觀統計的平均強度參數；n為水泥石微元強度分布集中程度。

1.2 交變動載下水泥環密封失效機理及控制方法

揭示了頁巖氣井多級分段壓裂動載下的水泥環密封失效機理[8–10]，即交變動載下套管–水泥環–地層界面變形不一致，當累積塑性應變超過界面極限膠結應變時，產生微環隙，導致密封失效、界面竄流；建立了套管–水泥環–圍巖彈塑性有限元分步計算模型；另外，提出了“低彈模（5～7 GPa）、低滲透（滲透率0.001 mD）”防損傷水泥控制準則，創建了“壓裂段數–泵壓–彈性模量”耦合設計圖版（見圖3），指導了水泥漿新材料研發和新體系設計。

圖3 水泥石彈性模量設計圖版Fig. 3 Elastic modulus design diagram of set cement

1.3 酸性環境下水泥環密封失效機理及控制方法

明確了高溫條件下CO2和H2S 耦合作用下水泥石結構疏松、膨脹開裂腐蝕機制[11–12]，即CO2、H2S基于酸堿反應腐蝕水泥石，消耗Ca(OH)2晶體，使水化硅酸鈣凝膠（C?S?H）結晶化；H2S 腐蝕生成二水石膏和鈣礬石，導致水泥石膨脹開裂，CO2腐蝕生成Ca(HCO3)2，造成鈣離子流失，強度和滲透率下降；CO2和H2S 共同作用加劇了水化硅酸鈣凝膠結晶化，存在成倍疊加效應，CO2是主導因素。

為了堵塞酸性氣體滲入通道、減少堿性反應物質，提出了“低滲透（<0.001 mD）、低堿性晶體含量（<5%）”防腐蝕控制準則。水泥石中堿性晶體含量為5%時，腐蝕后的抗壓強度為31.35 MPa；而堿性晶體含量為10%時，腐蝕后的抗壓強度為28.14 MPa；隨著堿性晶體含量降低，腐蝕的強度有所增加。同樣，水泥石的滲透率越低，腐蝕后滲透率保持較低（見圖4）。

圖4 水泥石堿性晶體含量和滲透率對腐蝕的影響規律Fig. 4 Influence of alkali crystal content and permeability of set cement on corrosion

建立了“降堿度、增惰性”水泥漿構建方法，通過添加硅鋁網狀聚合物活性材料或高價金屬離子材料，消耗Ca(OH)2晶體，提高水化產物與酸性氣體的反應惰性；同時，可添加膠乳類納米彈性顆粒材料，提高水泥環的致密性。

1.4 地層–水泥界面劣化機理及控制方法

地層–水泥界面膠結容易失效，主要受井筒內鉆井液濾餅、地層油氣水、溫度和壓力等復雜地質工況的影響。

文獻[13–14]發現了Ca(OH)2晶體富集與溶蝕是界面膠結劣化的主因：由于泌水效應，地層–水泥界面易富集大量Ca(OH)2晶體，在地層水環境下Ca(OH)2晶體溶蝕，導致界面膠結強度降低，易出現環空間隙，降低了防竄能力。為此，建立了以“界面等效滲透率”為目標函數、以“透射聲波幅度”為主要變量的界面密封能力預測模型（見式（2）、式（3）），實現了對界面密封能力演化的定量評價與不同水泥漿體系的適應性分析；同時，提出了“晶體抑制、限位支撐”水泥漿控制方法，降低了界面溶蝕程度，增強了界面壓實能力。

其中：Keq為界面等效滲透率，mD·mm2；u為透射首波信號幅度占比；AE為界面透射聲幅值，mV；AEITC為儀器發射的聲波總能量，mV；U為實測反射聲波總能量占比。

2 高性能水泥漿

2.1 高溫高密度水泥漿

高溫使水泥石強度大幅降低，同時降低水泥漿粘滯力，水泥漿體系發生沉降失穩，用常規鐵礦粉加重的水泥漿存在“冷漿稠、高溫稀”等問題。為了解決水泥流體和固體存在的問題，研制了高溫強度衰退抑制劑，在高溫245 ℃下28 d 強度不衰退；開發了亞微米球形三氧化二鐵加重材料，平均粒徑160 nm，密度5.10～5.15 kg/L，該材料具有“滾動軸承”作用，能顯著降低水泥漿體系的內摩擦力，冷漿稠度低，地面混配性能好，顆粒粒徑小，不易發生沉降；研發了熱增黏聚合物，高溫條件下分子結構相態由網狀轉變為鏈狀，水泥漿體系黏度增加，利于加重材料的均勻懸浮?；诰o密堆積理論，開發了高溫高密度水泥漿，密度1.95～2.40 kg/L，耐溫245 ℃，沉降密度差小于0.03 kg/L，48 h 控壓強度32 MPa。

2.2 高壓防氣竄水泥漿

針對高溫高壓氣井滲透壓差大、易竄流等問題，依據 “高致密、強膠結”防氣竄準則，研制開發了納米液硅和苯丙膠乳水泥漿體系[15–18]。

1）納米液硅水泥漿。納米液硅是一種納米SiO2顆粒在水中分散懸浮的乳液，它以50～300 nm二氧化硅為原料，利用高能物理球磨分散、電位阻斥力等工藝制備而成[15]。乳液固相含量45%，球形顆粒，無定形態。納米液硅在水泥漿中能改善水泥漿性能[16]：①限位支撐作用，降低水泥漿收縮率46%，界面膠結強度達2.6 MPa；②孔隙填充作用，水泥石滲透率0.007 mD；③增強作用，7 d 強度53 MPa。納米液硅水泥漿密度1.50～2.60 kg/L，耐溫220 ℃，7 min靜膠凝強度由48 Pa 發展至240 Pa。

2）苯丙膠乳水泥漿。膠乳是一種高聚物粒子分散在水介質中的膠體分散體系，采用苯乙烯等為原料制備而成[17]，通過攻關研究，解決了乳液的高溫穩定性。納米苯丙乳液熱裂解溫度350 ℃。苯丙膠乳顆粒具有高彈體吸能作用，可將水泥石的彈性模量降至5.8 GPa；同時，它具有孔隙填充防氣竄作用，室內試驗表明，在水泥漿候凝“失重”時，即使氣層壓力高于液柱壓力也未發生氣竄[18]。苯丙膠乳水泥漿密度1.85～2.60 kg/L，API 濾失量32 mL，水泥石滲透率0.005 mD，耐溫220 ℃。

2.3 防損傷自愈合水泥漿

自愈合乳液是在聚苯乙烯鏈段中加入疏水親油鏈段，形成自修復分子主鏈和側鏈，通過纏繞、自舒展實現膨脹。自愈合乳液固相含量44%，耐溫160 ℃。自修復乳液在水泥石中以高彈乳膜存在，當水泥石受到載荷時，高彈顆粒發揮吸能緩沖作用，可降低水泥開裂、塑性變形和殘余應變，遇烴后封堵水泥石裂隙，修復裂縫。乳液吸烴體積膨脹率達700%，自修復水泥漿耐溫160 ℃，彈性模量為5.5 GPa，可修復寬度為350 μm 的裂縫，可用于井深超4500 m的頁巖氣井，能夠解決深層頁巖氣井的井口帶壓難題[19]。

2.4 防腐增強型水泥漿

降堿增惰防腐材料以SiO2和Al2O3為原料，在激活劑作用下聚合而成。該材料可消耗Ca(OH)2堿性晶體，促進生成高強惰性產物5CaO·6SiO2·5H2O，降低水化產物與H2S 和CO2的反應活性，降低水泥石的堿度和腐蝕速度，提高水泥石的致密性，使酸性環境下的水泥石強度穩定。防腐增強型水泥漿耐溫220 ℃，滲透率小于0.001 mD，腐蝕速率小于0.1 mm/a，水泥石腐蝕后強度無明顯衰退，確保了酸性氣井水泥石的持久密封能力。

2.5 防漏泡沫水泥漿

在常規水泥漿或低密度水泥漿中加入高性能發泡劑、穩泡劑，利用自主研制的注氮裝置及工藝，可形成泡沫水泥漿，其密度可通過調整注氣量快速調節。泡沫水泥漿具有彈韌性強和可壓縮等獨特性能，密度為1.10～1.60 kg/L，水泥石抗壓強度達16 MPa、彈性模量為4～8 GPa。在頁巖油氣井、超深井等的技術套管、生產套管固井中規?；瘧肹20–22]，大幅提高了固井質量，解決了固井低壓漏失、淺層氣竄與儲層水泥環密封失效等技術難題（其中頁巖氣井水平段固井長度突破4000 m）；同時，解決了川渝地區喀斯特地貌淺表層破碎帶惡性漏、塌、垮并存的難題。

3 超深井固井工具

3.1 高承載尾管懸掛器

塔里木盆地、四川盆地等地區多口超深井尾管長度超3000 m、重量超3000 kN，遠高于常規尾管懸掛器的承載極限。常規尾管懸掛器是通過楔形卡瓦將尾管重力全部轉化為對上層套管的外張力，從而實現尾管懸掛的，其承載方式為軸向–徑向二維承載（見圖5（a））。當尾管超重時，易使上層套管變形，導致尾管懸掛器坐掛失敗。

圖5 常規承載機構與復合斜面重載機構對比Fig. 5 Comparison between conventional bearing mechanism and compound-bevel heavy load mechanism

高承載尾管懸掛器采用復合斜面重載機構，通過卡瓦側面承載產生相互抵消的周向分力N，其承載方式為“軸向–徑向–周向”三維承載（見圖5（b）），從而顯著降低對套管的外張力，承載能力較常規懸掛器提高1 倍以上。

為此，研發了系列高承載尾管懸掛器產品[23]，其中?365.1 mm×?273.1 mm 尾管懸掛器的最大承載能力達到3400 kN，玉中2 井創造了國內懸掛尾管最重紀錄（3100 kN）。

3.2 壓力平衡式尾管懸掛器

深層超深層油氣井具有裸眼段長、井眼復雜等特點，尾管下入遇阻和不到位的問題突出。為此，研發了系列壓力平衡式尾管懸掛器[24–26]（見表1），其特有的雙向自平衡液壓驅動機構可消除大排量循環時的坐掛力，并且允許循環排量不受工具限制，從而防止下套管過程中尾管懸掛器提前坐掛，形成了下尾管中途循環解阻及尾管快速下入工藝和技術，工具耐溫150 ℃，密封能力35 MPa?，F場應用時，該壓力平衡式懸掛器中途循環排量最高達2.6 m3/min、泵壓達42 MPa，應用最大井深7849 m，尾管最長3509 m，解決了復雜油氣井尾管下入慢和到位率低的難題。

表1 壓力平衡式尾管懸掛器的規格和性能參數Table 1 Specifications and performance parameters for pressure-balanced liner hangers

3.3 防腐蝕尾管懸掛器

針對尾管懸掛器在酸性環境下的腐蝕問題，根據尾管懸掛器結構特點和性能要求，建立了不同腐蝕環境下的零部件選材規范和評價準則，研制了防H2S、防CO2和防H2S/CO2等的系列防腐蝕尾管懸掛器[27]，滿足了H2S、CO2含量大于20%的高酸性環境防腐蝕要求。為此，研發了耐H2S/CO2共同腐蝕的橡膠材料，在溫度204 ℃、H2S 分壓3.5 MPa、CO2分壓3.5 MPa 條件下腐蝕老化后的關鍵性能保持率在70%以上。

3.4 封隔式分級注水泥器

針對常規分級注水泥器難以解決的超深井漏失問題，研發了封隔式分級注水泥器[28]，主要由水力擴張式封隔器和分級注水泥器組成（見圖6）。一級注水泥后，憋壓打開水力擴張封隔器的注液通道并填充脹封，封隔套管與井眼的環空，徹底封隔分級注水泥器下部漏層，從而降低二級固井漏失風險。同時，封隔器脹封后具有一定的環空封隔能力，并在分級箍循環孔關閉后能夠保證管內密封能力不低于套管抗內壓強度，提高了套管柱完整性。工具密封能力70 MPa，在10%井徑擴大率下環空封隔能力大于35 MPa。

圖6 封隔式分級注水泥器Fig. 6 Packer-type multi-stage cement injector

該封隔式分級注水泥器已經在塔里木盆地超深易漏失井應用了100 余口井，二級固井無漏失率提高了90%。

4 固井優化設計新方法

4.1 防氣竄設計新方法

針對深層超深層油氣井固井中的防氣竄問題，開發了環空液柱壓力精細控制技術，建立了環空液柱壓力精細計算新模型[29–30]，預測精度較傳統模型提高30%。實際應用時，可根據無量綱化實測井深、井徑、地溫梯度和水泥漿密度等參數，分段（段長1 m）擬合環空液柱壓力。根據井底失重壓力預測數值，建立了靜膠凝過渡期環空壓力實時調控技術，以確保地層流體受控，降低環空氣竄風險。

4.2 頂替效率優化設計新方法

針對固井中的頂替效率問題，建立了復雜油氣井頂替效率優化設計方法[31–32]，提出了真三維固井頂替數值模型，在國家天河一號超級計算中心開展了模擬研究，定量評價了不同工藝參數對頂替效率的影響機制。研究發現，直井段切力和黏度差、水平段密度差均與頂替效率正相關，并提出了黏度差、密度差、居中度、排量等關鍵參數及注水泥作業優化設計方法，應用結果表明，固井頂替效率可由65%提高至95%。

4.3 智能化設計新方法

針對智能化固井設計問題，基于計算模型，利用機器學習并融合標準規范及專家經驗，開發了智能化固井設計軟件，建立了云端化固井數據庫，開發了智能化固井設計決策平臺。該平臺可根據現場井筒數據自動生成最優設計，同時利用機器學習對水泥漿配方大數據進行學習，基于水泥漿性能參數要求推薦水泥漿配方，可實現固井參數優化設計、過程模擬、實時監測、參數動態調整和質量分析的全過程控制。

深層超深層油氣井固井技術在順北油氣田、元壩氣田、川渝頁巖氣田等規模應用，固井質量合格率從55%提高至100%、優良率從23%提高至90%，頁巖氣井井口帶壓率從70.2%降低至7.6%，解決了高溫高壓氣竄、酸性氣田腐蝕、頁巖氣損傷等重大固井技術難題，支撐了深層超深層油氣高效勘探開發。高端尾管懸掛器國內市場占有率70%。創造了水泥漿應用密度最高世界紀錄（2.78 kg/L）和工具應用井深最深亞洲紀錄（9300 m）。

5 發展建議

我國深層超深層油氣資源豐富，是當前和未來油氣勘探開發的重點和熱點，2023 年中國石化將在塔里木盆地鉆探萬米井，由于井更深、井下地質環境及工況更加復雜，固井技術將面臨新的挑戰。同時，深層頁巖油氣及干熱巖等非常規資源的開發、國家對環保要求及數智化技術轉型等也對固井技術提出新的要求或帶來新的發展機遇。因此，在后續技術研究與發展過程中，應以“極端環境、綠色環保、智能跨越”為理念，在傳統技術提升、環保及新能源技術拓展、智能化技術轉型及基礎理論研究推進等方面開展攻關研究，推動深層超深層油氣井固井技術不斷升級迭代。

1）傳統優勢技術方面，盡快攻克極端高溫、極端低溫、極端井型和極端應變等油氣井固井技術，以滿足萬米井、超長水平段水平井、超大型壓裂的固井要求。

2）環保及新能源技術方面，著力開發高應變、高酸性新材料及非硅酸鹽基凝膠、地質聚合物等綠色環保材料，逐步替代傳統水泥及助劑，以滿足干熱巖熱儲開采、高動載儲氣庫、高酸性儲氫庫與CO2封存及國家對環保的要求。

3）智能化技術轉型方面，建議研究大數據技術、智能化水泥漿和智能化固井監測儀器及裝備，引領未來技術發展。

4）基礎理論研究持續推進方面，以油氣井全生命周期井筒完整性固井水泥密封為目標，進一步揭示水泥漿–水泥石力學化學演化規律，明確固井新材料新體系構建方向，提升水泥漿（石）性能，以滿足更加復雜油氣井長期密封的技術要求。

6 結束語

2010 年以來，中國石化立足自主創新，圍繞“防竄、防腐、防損傷，保持井筒密封完整性”技術目標，經過持續攻關，在固井理論方法、水泥材料、工具裝置和控制工藝方面取得了升級，解決了水泥環損傷、環空氣竄、膠結質量差等重大技術難題，提高了深層超深層復雜油氣井固井技術水平。后續技術研究過程中，應緊密結合國家能源發展戰略，基于“極端環境、綠色環保、智能跨越”理念自主攻關，完善“三防一?！奔夹g體系，攻關固井技術信息化與智能化，研發綠色、智能環保材料，持續提高復雜油氣井的固井質量。