固井技术现状及发展趋势

国内外固井技术现状及发展趋势二00八年七月

1前言固井作业是油气井钻井工程中最重要的环节之一，其主要目的是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护油气井套管、增加油气井寿命以及提高油气产量。自1903年开始固井以来经过近100年的努力，国内外固井技术得到了飞跃发展。

2前言固井技术一直是随着钻井技术的进步而发展，固井材料、油井水泥外加剂及工艺技术措施已经发生了深刻的变化，研究开发和应用了许多新工艺、新技术、新材料，基本适应了油田勘探开发的需要。经过多年的研究与攻关，国内固井技术已经取得了长足的发展，基本形成了系列配套的固井材料、工具及相应固井工艺技术措施，随着勘探开发的深入，固井技术也将得到进一步的完善和发展。3主要表现在：油井水泥的扩充与完善，油井基本水泥由一两种发展到13种；油井水泥外加剂已发展到14大类200多个品种；普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控，注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化方向发展；复杂的地层固井技术日趋完善，研究开发了适应高压气井、低压易漏失井、多压力系统以及深井超深井高温固井配套技术。4小井眼固井、水平井固井、分支井固井和大位移固井等特殊工艺井固井技术；研制开发了尾管悬挂器、双级(多级)注水泥器以及各式各样套管扶正器等；固井计算机模拟、仿真与监控技术，提高了固井方案设计、现场施工的准确性、针对性和科学性。主要表现在：5

一、油井水泥与外加剂

固井材料作为层间封隔和保护套管目的的主要载体，一直是固井设计的重中之重的环节，也是固井领域研究的主要方面，它包括：基本水泥、混合水、外掺料和外加剂。外掺料主要是用来提高或降低水泥浆的密度，改善水泥石的高温性能、渗透率、韧性等力学性能等的材料；外加剂则是可以改变水泥浆的凝结时间、流变性能、游离性能和提高水泥浆的防窜性能与保护油气层，并对水泥石的力学性能产生影响等材料。

6特种水泥常规油井水泥匹配外加剂和外掺料已基本能满足固井的需要，但为了满足一些特殊地质、环境和工程需要，如：严重漏失、窄间隙、超低密度、超高温等，就需开发一些特种水泥。在美国，基本水泥除了

API油井水泥外，还包括高铝水泥、矿渣、矿渣和水泥混合物、酸溶水泥和合成树脂水泥等特种水泥，而且还市售一些不同细度和不同密度的水泥及混合物，使用起来非常方便。

7油井水泥外加剂和外掺料

目前油井水泥外加剂和外掺料已发展到14大类数百个品种，主要包括：降失水剂、缓凝剂、促凝剂、分散剂、充填剂和密度减轻剂、防气窜剂、增密剂和加重剂、抑泡和消泡剂、游离液控制和固体悬浮剂、胶结增强剂和膨胀剂、减少或防止高温强度衰退的硅质材料，减少和防止井漏的外加剂和外掺料，特种水泥混合物、隔离液和冲洗液等。

8油井水泥外加剂和外掺料

通常我们将掺量小于或等于水泥质量的5%的固井材料称为外加剂，外加剂在水泥浆体系中主要依靠物理作用、化学作用或物理化学作用，如吸附、絮凝、分散、络合，来发挥其作用；而将超过水泥质量的5%的材料，称为油井水泥外掺料，外掺料一般是指的是硅粉、加重剂、减轻剂、微硅等。

9油井水泥外加剂主要进展

（1）降失水剂。研制开发了适应更宽温度和密度范围、抗盐和抗高温的高性能降失水剂。

（2）用于深水固井的特殊外加剂。

（3）泡沫水泥浆外加剂。

（4）改善水泥石性能的外加剂。（5）满足特殊地质条件下的水泥外加剂。10外加剂、外掺料与国外的差距我国油井水泥外加剂在大类上已与国外各大公司基本相一致，并相继开发了与国际同步的降失水剂、缓凝剂和分散剂，但与国外著名服务公司相比仍存在下列差距：品种单一，各生产厂家产品相类似；产品过于大众化，而且研究得不够透彻，精细化程度低，缺少高性能的分散剂和缓凝剂；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的研究；系列化程不够，缺乏超低温（低于15℃）、超高温（高于220℃）配套的外加剂体系；不能满足特殊井的水泥浆体系；产品材料的原创性较差，少有具有自主知识产权的原创技术。

11二、水泥浆体系

由于不同的水泥、混合水、外加剂、外掺料之间的相容性差异，决定了固井材料在使用中不是简单的叠加，必须将这些材料优化组合才能满足各种地质条件、井下温度压力环境和固井工艺的要求。围绕高温、高密度、低温、低密度，含盐，及漏、窜、压稳等特殊条件，开发出了不同类型的水泥浆体系、前置液体系

12水泥浆体系1、防气、水窜水泥浆体系

流体窜流是我国各油田固井过程中普遍遇到的问题，它包括气体窜流和水窜流。根据失重理论、界面胶结理论、微裂缝-微裂隙理论等概念，国内相继开发不渗透水泥、KQ防气窜水泥、微粒硅水泥以及泡沫水泥等防气窜水泥浆体系。

132、超低密度高强度水泥浆体系

根据紧密堆积理论已开发了高强度低密度水泥浆技术，当水泥浆密度为1.1g/cm3时，其24小时的抗压强度可以达到14MPa以上，基本可以和纯水泥相媲美，而且具有较好的堵漏和防窜性能，水泥浆失水可以控制在50ml以下，已在胜利、大港、长庆和伊朗的欠平衡钻井中得到应用，并取得了好的效果。国内利用美国3M公司的漂珠，水泥浆密度可以降低到0.96g/cm3左右。

14斯伦贝谢公司开发的DensCRETE水泥，利用合理的水泥和超细球型的Micromax加重剂的粒径分布以及各材料的紧密堆积，配制出流动性能良好的高性能水泥浆（最高密度可达2.9g/cm3），已在墨西哥、阿曼和我国的南海等油田使用。

国内的高密度水泥浆基本上还是采用普通加重剂的方法，如通过钛铁矿石、赤铁矿石、重晶石等手段来提高水泥浆的密度，国内油田利用优选赤铁矿粉和配套的外加剂研制了密度高达2.6g/cm3的水泥浆体系解决了异常高压油气夹层和盐水侵固井难题。

3、高密度水泥浆体系

153、可膨胀水泥浆体系

为了补偿水泥石在凝固过程中体积收缩问题，提高胶结强度，保证固井质量，人们开发出了可膨胀水泥浆体系，依据膨胀源和作用机理的不同，常用的油井水泥膨胀材料可分为两大类：①

晶体膨胀材料，主要依靠膨胀源晶体材料重结晶或晶形时转变产生的结晶膨胀压，将化学能转变为机械力对外做功，其膨胀特性不受压力和温度（但钙矾石类膨胀源受温度制约）的影响。②

发气材料，依靠外加剂与水泥浆反应产生气体，其膨胀源为可压缩气体。

164、

（增韧）塑性水泥浆体系

薄油层和地层间隔小的油层的开采，都要求水泥环必须有较高的韧性。

纤维水泥胶乳水泥

17问题水泥石的韧性是保证井下水泥环长期封隔效果的主要性能参数，在短期固井质量（24~72h胶结测井）评价中难以体现其特性。受行业管理体制、固井材料定额和CBL/VDL测井方法的限制，这一重要性能指标常被忽视，而过分强调水泥石的抗压强度指标。对水泥石的力学特性上，缺少韧性的标准评价方法和技术参数；也没有相应的标准规定多大的韧性将满足各种工程要求。

185、钻井液固井液一体化与MTC钻井液固井液一体化技术有效地解决了第二界面的胶结问题，在胜利等地区完成了二十多口井现场实验，效果突出。泥浆转化为水泥浆技术是利用废弃的完井泥浆的降失水性和悬浮性，通过加入廉价的高炉水淬矿渣、激活剂，将泥浆转化为性能完全可以和油井水泥浆相媲美的泥浆固化液。该泥浆固化液的稠化时间任意调节；具有降失水、防气窜和微触变性能；渗透率低；抗高温性、沉降稳定性、与泥浆的相容性均优于油井水泥浆。淡化了顶替效率及顶替技术。19在永8井、永7井、同1井等采用矿渣MTC低密度固井工艺技术，取得了良好的固井效果，其中永7井固井MTC一次性封固段长达3840m，温差达近80℃，固井质量优良率占全封固段的83.3%。由于MTC技术的工业应用还比较短，还应对它的长期力学性能进行更为深入的研究，并对已经应用的油气井的产量、出水情况和寿命等还需要进行跟踪研究。5、钻井液固井液一体化与MTC20泡沫水泥是低密度水泥的一个重要种类，分为化学发泡泡沫水泥和机械充气水泥两种。水泥浆密度随发泡剂掺量的增大而降低。最低地面密度为0.6g/cm3，最低井下当量密度为1.45g/cm3，与漂珠减轻剂配合使用最低井下密度可达到1.15g/cm3。

6、泡沫水泥浆体系

21泡沫水泥特点具有很好的防气窜能力。导热系数低，泡沫水泥的导热系数在0.25～0.70ｗ/ｍ•℃范围内，比普通水泥1.1ｗ／ｍ•℃要低。保温性能好，有利于减少稠油热采井的蒸汽热量损失。227、抗腐蚀水泥浆体系世界上许多油田在开发过程中，都遇到了地层中含有诸如C02和H2S等腐蚀性介质影响油井水泥环密封效果的问题，这些酸性腐蚀介质会引起水泥环先导腐蚀，随后引起套管腐蚀破坏，减少油井寿命。提高水泥石的抗腐蚀能力主要是提高水泥石的密实度，采用的方法一是加入抗腐蚀填充材料，二是降低水泥石的渗透性。

国内研究开发了微硅固井水泥石防CO2、H2S腐蚀技术：基本解决了水泥石防腐问题。238、UniSlurry通用型水泥浆

UniSlurry通用型水泥浆具有很宽的适用温度范围及密度范围，能应用于常规固井、尾管固井、打水泥塞以及挤水泥作业等，由斯伦贝谢公司开发。UniSlurry通用型水泥浆适用性强，能极大地简化固井设计，降低施工风险。

249、抗盐耐高温水泥浆体系

抗盐耐高温水泥浆固井技术主要用于解决含盐岩层、高压盐水层井的固井。盐岩层、高压盐水层井固井对外加剂的要求很高，首先要具有良好的抗盐性能，还要对水泥浆体系的其它性能影响较小，如不会在高温盐环境中分解导致水泥浆过渡缓凝，降失水性能变差等。2510、深井超深井固井水泥浆体系

深井超深井固井难度很大，既要考虑高温、高压、环空间隙小和腐蚀性流体等对水泥浆的影响，由于其特殊性，给固井带来了很大的挑战。深井超深井水泥浆体系不但具有防漏、防窜、耐高温的能力，还具有良好的沉降稳定性和流变性能，较高的强度、较低的失水等。2611、FUTUR活性固化水泥

斯伦贝谢公司的FUTUR活性固化水泥是一种具有自修复特性的水泥，当油气流过水泥环中出现的裂隙或微缝时，这种活性固化水泥会发生反应并在数小时内永久性地封堵这种流动通道。这项技术被美国《勘探与开采（E&P）》杂志评为2008年度石油工程技术创新特别奖（共12项）

27为了提高水泥浆顶替效率，改善水泥环质量，研究开发了多种隔离液和冲洗液，如：用于冲洗水基和油基钻井液的化学冲洗液，有调节流型的隔离液，有抗盐、抗高温的隔离液等。在钻遇水敏性地层、页岩等复杂地层时和水平井钻井、欠平衡钻井中，都普遍会使用油基钻井液，对于这类井的固井作业，要保证固井质量，清除或替掉井壁和套管界面上依附的泥浆显得尤其重要，必须使用油基冲洗液和隔离液体系。12、隔离液和冲洗液体系

2813、隔离液和冲洗液体系

国内对隔离液和前置液的开发应用较少，重视程度也较低，未充分认识到该体系在提高固井质量、保证水泥浆顶替效率方面的重要性。众所周知，绝大多数钻井液，无论是水基的、油基的、还是合成基的钻井液，如果水泥浆与钻井液直接接触，钻井液将会发生水泥浸，水泥浆将受到钻井液污染而产生粘稠的团状絮凝物质，流动性能降低，粘度和切力上升，将导致固井泵压升高，甚至发生井漏；水泥浆受污染后，凝固后的水泥石抗压强度和界面胶结强度都将大幅度降低；污染后形成的粘稠物质，将粘附在套管和井壁上，不容易顶替干净。

291、深井、超深井固井技术随着油田勘探开发的不断深入，近几年来国内深井、超深井的数量越来越多，深井、超深井固井在套管下入、抗高温水泥浆体系选择、抗高温前置液、施工工艺方面提出了更高的要求，通过攻关及引进国外先进的抗高温、防窜外加剂等项技术，取得很大成功。三、固井工艺技术30深井、超深井固井技术基本形成中石化完成的塔深1井（8408m）、胜科1井（7026m）、元坝1井（7171.71m）、元坝侧1-1井（7427.22m）等，中石油完成的TZ88井完钻井深7260m，5〃尾管下深达7189m，这表明国内超深井、超高温固井技术基本形成。31深井、超深井固井技术基本形成塔深1井：Φ273.05mm（311mm钻头）尾管悬挂固井，尾管下深5453.79m，尾管长2421m。Φ206.375mm（241mm钻头）尾管悬挂固井，尾管下深6800m。Φ139.7mm+Φ127.0mm尾管固井，尾管下深8400m。32

胜科1井：针对大尺寸套管长封固段井，第一次成功应用了国产大尺寸（

339.7mm）分级箍。研究应用成功了高密度抗盐水泥浆体系，水泥浆密度达到2.30g/cm3四开完钻井深7026m，尾管封固段长达3120m，回接一次封固3934m，创造了东部油田最高指标。深井、超深井固井技术基本形成33胜科1井在深井超深井固井方面积累了一定经验，完善了大尺寸套管固井、盐膏层固井、超高温深井固井（井底温度235℃）的工艺技术措施，为胜利油田深部地层的勘探开发储备了技术力量深井、超深井固井技术基本形成342、复杂气井固井技术取得一定进展近几年来针对塔里木、川东北的窄安全密度窗口高压气井固井，高含H2S、CO2气井固井等加强了气窜失重机理的研究，找出了影响气窜的主要因素，提出了综合防气窜、防漏失的配套技术措施，在固井工艺、固井工具、水泥外加剂、高密度隔离液、防漏材料等方面取得了一些进步，对于保证复杂气井的固井质量起到了积极的作用。35川东北地区气体固井技术

1.

高压气井极易发生气窜

2.水泥浆外加剂难以满足高温固井要求

3.漏失和压稳矛盾突出

4.低密度水泥浆体系强度发展慢

5.小环空间隙固井顶替效率低

6.高密度高粘钻井液顶替困难

7.

普遍存在H2S、CO2腐蚀性气体36川东北地区气体固井技术普遍存在H2S、CO2腐蚀气体

川东北地区大部分高压气层富含H2S和CO2等有害气体。

CO2、H2S属于腐蚀性酸性气体，对套管、固井工具及其附件易产生氢脆和腐蚀破坏。

CO2侵入水泥浆内，对水泥浆性能产生影响，对凝固后的水泥石造成腐蚀，影响其长期封隔效果。井号普光１普光２H2S含量，％12.3115.4CO2含量，％8.579.07地层压力MPa55.561.2H2S分压MPa6.619.15CO2分压MPa4.435.4937川东北地区气体固井技术总体解决思路封采用非渗透和胶乳防气窜水泥封气层采用颗粒级配原理设计高（低）密度水泥浆提高两个界面胶结质量主力气层采用高早强水泥浆，有效防止早期气窜缩短过渡时间采用动态循环堵漏方法，提高地层承压能力采用纤维水泥采用堵漏型前置液解决川东北地区高温高压高含硫气井固井技术难题堵压快应用分段压稳设计模型进行平衡压力固井设计采用双凝或多凝水泥浆体系新引进了旋转尾管固井技术和旋流滚轮扶正器，研制开发了自主研发抗CO2、H2S腐蚀的新型固井工具等38采用双凝水泥浆，应适当延长领浆凝固时间，确保压稳，保证施工安全。采用胶乳和非渗透防气窜剂交联成膜作用，控制水泥浆由液态转化为固态的过渡时间。采用高早强尾浆封固主力气层，迅速形成高质量的水泥环，实现以快制气。高早强尾浆快速封固主力气层技术川东北地区气体固井技术39旋流滚轮扶正器居中技术将套管与井壁/套管之间的摩擦由滑动摩擦转变为滚动摩擦。

滚动摩擦-减小下套管阻力在套管外环空,当水泥浆穿过螺旋滚轮扶正器螺旋片时产生旋转,形成旋流流型顶替，提高水泥浆的顶替效率。在普光A-2井进行了现场应用，固井质量优良。川东北地区气体固井技术40川东北地区气体固井技术取得的五个主要进展：

--初步优选出了适合川东北高温高压气井的防气窜水泥浆体系；

--建立了川东北地区压稳设计方法；

--建立了适合低压易漏失地层的固井技术方法；

--研发出了适合川东北地区高压气井的新型防腐蚀固井工具；

--初步形成了提高川东北地区固井质量的固井配套技术和方法。41川东北地区气体固井技术存在的几个突出的技术难题：高含腐蚀性气体腐蚀与控制技术难题防气窜水泥浆体系确立的问题高温高压长封固段低密度体系优选与封固质量差和质量评价的问题固井施工事故仍然有发生固井优质率偏低423、CemCRETE固井技术为解决异常压力固井问题，道威尔—斯伦贝谢公司于1998年底研究开发了CemCRETE技术。该技术基于混凝土水泥浆技术，利用颗粒级配原理，通过优化水泥及外掺料颗粒直径分布(PSD)，优选3种以上不同直径的颗粒，使单位体积内固相颗粒增加，尽量降低水泥浆水灰比，提高水泥石的抗压强度和降低水泥石的孔隙度和渗透率。

43CemCRETE固井技术应用密度为1.20g／cm3的低密度水泥浆，24h抗压强度大于14MPa，水泥石的渗透率和孔隙度明显小于常规水泥浆；阿曼石油开发公司(PDO)采用密度为2.40g／cm3的高密度水泥浆技术成功地解决了Sarmad油田井深为4800m的深井膏盐层的高压固井问题。

443、防窜固井技术

发生环空气窜的主要危害是：直接影响水泥石胶结强度；导致层间窜流，直接影响油气层的测试评价，污染油气层、降低油气采收率；对油田开发后续作业如注水、酸化压裂和分层开采等造成不利影响；严重时可在井口冒油、冒气，甚至造成固井后井喷事故，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。

45环空气窜的三个途径

因为顶替效率不高而造成水泥浆窜槽。水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙。水泥浆失重46防气窜水泥浆体系

人们对环空气(水)窜的形成原因、影响因素、气窜的物理过程、预测方法及防气窜水泥浆体系做了大量的研究工作，先后研究开发了膨胀水泥、延缓胶凝水泥、触变水泥、可压缩水泥和非渗透乳胶水泥等多种防窜水泥浆体系。47防止环空气窜的工艺技术措施

环空加压技术环空加压技术是指在注水泥作业结束后,通过在环空加一定的压力(现场加压的值一般为2～3MPa)，保证环空中的液柱压力大于气层压力，达到防气窜的目的。

管外封隔器技术

。48对防气窜固井技术研究的建议

需对环空气窜的形成原因、影响因素、气窜的物理过程进行深入细致的研究，进一步研究透彻固井后环空气窜的机理。

研究建立新的固井环空气窜预测和水泥浆防气窜性能评价模型，力求更加准确地预测环空气窜的危险程度和评价水泥浆防气窜能力，进而经济有效地解决固井后环空气窜问题。防气窜水泥浆体系要与防气窜工艺技术紧密结合。49对防气窜固井技术研究的建议在进一步完善发展非渗透防气窜水泥浆体系的同时，应进行新的防气窜水泥浆体系的研究。

研究开发新的防气窜模拟分析仪器。如开发可在高温高压、动态条件测量水泥浆静胶凝强度分析仪器等。防气窜技术与防水窜技术研究相结合，气窜与水窜机理有很多相同点，但在工艺技术、实验评价及水泥浆性能要求方面又有很多不同，为此，两者研究可相互借鉴，互为补充。504、水泥浆顶替技术

“替净”是保证固井质量的必要条件。提高顶替效率、力求环空封固段“替净”一直是固井研究人员和工程师们努力的一个方向。

51水泥浆顶替理论紊流顶替理论该理论认为，当流体达到紊流，流体流速剖面分布平缓，这样有利于顶替液对被顶替液的轴向均匀顶替，而不发生顶替液的舌进现象。该顶替方式曾一度被认为是最有效的顶替。因此，设计者往往首先按紊流顶替进行设计；但水泥浆因其粘度大，形成紊流时的压降大，这往往受到地层承压能力和机泵能力的限制，且紊流边界层流速很低，驱动能力弱；尤其对于不规则井眼，往往在局部形成回流，造成泥浆滞留，造成第二界面水泥胶结质量差。

52塞流顶替理论

塞流顶替理论认为，塞流运动的其中一大特点是流体流速剖面非常平缓，顶替液对被顶替液都进行塞流状态流动时，二者间不发生互相掺混，利于提高顶替效率。这项技术多应用于井壁疏松地层和井下压力安全窗口窄的封固段固井。但低速塞流顶替往往造成驱动力弱，尤其是对边壁的高粘附的泥浆、虚泥饼更是无能为力。

53层流顶替理论

层流顶替技术因其易造成顶替液发生舌进现象，使顶替液与被顶替液之间相互掺混。为了克服这一缺点，理论界提出使用有效层流顶替技术。所谓有效层流顶替是指，利用顶替液与被顶替液的流变性差异和密度级差，使顶替液与被顶替液之间互不掺混，从而形成均匀顶替。这种顶替理论逐渐被更多的设计者和作业者接受和采用。但是要达到有效层流顶替，必须套管居中度高，而且同样存在一维顶替的缺点，即对边壁的高粘附泥浆及虚泥饼清除效果差，对于变径、不规则井眼造成的回流也是无能为力。

54紊流—塞流复合顶替技术针对深井不规则井眼水泥浆顶替效率低的技术问题，提出了紊流—塞流复合顶替技术，通过理论分析提出在不同井径条件下同时实现紊流和塞流的水泥浆流变性能要求以及相应的水泥浆流变性能设计方法。较好地解决了深井井眼不规则的固井问题。55螺旋流顶替技术顶替液的螺旋运动，其周向流速给井壁增加周向剪切驱动力，易于携带近井壁的泥浆和冲刷井壁上的泥饼，特别在变径处，以及对因套管偏心造成的窄边的泥浆顶替，这种效果将会更加明显；结合轴向流的轴向驱替，形成周向流携带与冲刷和轴向流的轴向驱替联动作用，这样可大大提高顶替效率。因它增加了主流对井壁的接触面积，从而有利于在较低流速下有效清除钻屑和泥浆。螺旋流为实现对泥浆的完全顶替提供了理论依据和实现的可能。

56螺旋流顶替技术旋转套管旋流套管扶正器旋流发生器575、与快速钻井配套的短候凝固井技术

固井工作影响快速钻井技术发展最为突出的矛盾是低温水泥浆候凝期过长，大大限制了快速钻井整体效益的发挥，对于丛式井的开发尤为突出。低温短候凝水泥浆体系可使水泥浆的候凝时间由原来的24小时缩短到4小时。在丛式井钻井中可以实现不间歇钻井，在滩海低成本开发、海上具有很大的应用前景。586、尾管旋转固井技术

旋转固井是目前国际上最先进的新工艺之一，在固井施工中通过转盘或顶驱带动套管转动，使水泥浆在其周围均匀分布，防止环空水泥浆窜槽，从而达到提升固井质量的目的。水泥浆即将出套管鞋就开始以低转速转动带动井内钻柱及套管旋转固井。59旋转尾管固井的优点有助于尾管的顺利下入到位有助于解决小间隙固井问题有利于解决定向井套管偏心顶替效率差的问题有助于防止环空窜流通道的形成60旋转尾管固井的优点解决定向井套管偏心顶替效率差的问题61旋转尾管固井的优点防止环空窜流通道的形成

当套管进行旋转时，套管周边均会有水泥浆通过，所以可避免窜流通道的形成。62旋转尾管组成及其原理⒈旋转投塞水泥头总成（顶驱钻机使用）

63旋转尾管组成及其原理⒈旋转投塞水泥头总成（无顶驱钻机使用）

64旋转尾管组成及其原理⒉可旋转尾管悬挂器组成 一般的可旋转尾管悬挂器主要由三部分组成，即：座封部分、悬挂部分和轴承部分 哈里伯顿的可旋转尾管悬挂器是膨胀管式悬挂器，结构更为简单，操作更为容易。65贝克旋转尾管悬挂器66威德福旋转尾管悬挂器67哈里伯顿的旋转尾管悬挂器一般的旋转尾管悬挂器68旋转尾管组成及其原理作用:在下尾管期间起导向和克服阻力的作用特点:平滑顶部,边削出刃适用环境:大肚子井段,有台阶井眼,缩径,移动盐层,有岩屑床,垮塌3、钻式浮鞋69旋转尾管组成及其原理钢制螺旋刚性扶正器4、螺旋刚性扶正器锌铝合金螺旋刚性减阻扶正器高温树脂螺旋刚性减阻扶正器70旋转尾管固井所需条件1、钻机设备要求能控制转盘转速在10-20转/分钟正常运转能够监测转盘扭矩,

保证转盘刹车系统灵活好用。2、旋转悬挂器的要求止推轴承能够在很重的悬挂负荷的情况下保持有效旋转。离合传动装置保证钻杆扭矩的向下传递

胶塞万向连接装置保证胶塞不会与中心管脱开。

71旋转尾管固井所需条件3、旋转水泥头总成的要求卡瓦卡住钻杆并进行旋转时，水泥头可以保持静止不动。4、套管的要求在固井过程中旋转时，旋转尾管应选用台阶密封的高扭矩套管，如FOX、NewVam、TPCQ、TM、NSCC等气密套管扣型，单纯为保证套管下入，也可采用旋转尾管悬挂器送入普通扣型套管,当遇阻时,可适当提起并转动下放管串。72旋转尾管固井所需条件5、固井附件的要求对浮箍浮鞋球座没有特殊要求，而扶正器则必须采用螺旋刚性扶正器。73旋转尾管固井主要操作特点下套管遇阻的操作

一般常规尾管悬挂器送入尾管遇阻时，只能开泵低排量冲洗，上提下放。而旋转尾管悬挂器则可以正向转动。可以正向旋转转盘、保持循环，其操作如同钻井时遇阻划眼。关键是不能反转管串。座挂前旋转

主要是为了清洗井壁泥皮和处理泥浆，慢速旋转即可74旋转尾管固井主要操作特点

座挂后旋转

主要是指注水泥浆和顶替水泥浆过程中的旋转。旋转时需根据钻具长度，扭短大小而确定钻杆下压吨位和转速，一般下压10-20吨，转速一般以10-20转/分为宜。

应急释放工具措施左转钻杆即可应急脱手。75国内外使用情况

旋转尾管悬挂器自问世十多年以来，已经成功地解决了许多技术难题，其中在WytchFarmM-Site，16SP大位移水平井，利用旋转尾管悬挂器将7”套管顺利送到了10210米的井深（SPE59213）。到目前为止，已经在全球使用了数千井次。旋转尾管固井在国内海上油田应用十分普遍。解决并保证了尾管顺利下入和固井质量。 如南海东部西江油田施工的11口9000米大延伸井，在4000米裸眼中下7″尾管，井斜85°，尾管鞋刚进入裸眼即遇阻，在这种情况下单靠下压管串是不能克服摩阻而将套管串下到位的。而有了旋转悬挂器就可以开泵并旋转套管，以钻井划眼的方式利用数天的时间将尾管下到位。类似这样的井如用不能旋转的悬挂器是不可能保证管串顺利下入的。

76国内外使用情况77应用实例

中国陆地油田首次成功使用旋转尾管固井

2005年2月19日，在中石化西北分公司雅克拉气田的YK10井7″尾管旋转固井作业。旋转悬挂器由贝克提供，旋转水泥头和套管扶正器由威德福公司提供，深圳百勤公司负责工具组装、下入和操作技术服务，全部固井段的声幅值平均为15%，固井质量优秀。中国陆上油田7879ＹＫ８井固井质量曲线ＹＫ８井固井质量曲线80普光8旋转固井川东北地区第一口旋转固井；7″*9-5/8″PHR型旋转尾管悬挂器；尾管下入深度5912米，尾管长达到2412米；挂重180T。全程旋转固井。固井质量：优。81旋转尾管固井技术PD-1井尾管旋转-坐挂前旋转：时长10min-坐挂后旋转：时长18min-固井过程中旋转：时长75min-旋转速度：11RPM82PD-1旋转固井7″*10-3/4″PHR型旋转尾管悬挂器；尾管下入深度5520米，尾管长达到2070米；旋转固井至替浆后期，扭矩增高停转。固井质量：优。83PD1-1固井质量图84毛坝4井侧钻井旋转固井1.最大井斜13°/3615m，最大狗腿度16.72º/100m。裸眼段长1725m。2.7″*9-5/8″PHR型旋转尾管悬挂器；3.尾管下入深度4247米（斜深），尾管长达到1921米；4.全程旋转固井。5.固井质量：良。85中石油峰003-1旋转固井1.中石油第一口旋转固井；2.7″*9-5/8″PHR型旋转尾管悬挂器；3.尾管下入深度5520米，尾管长达到2070米；4.全程旋转固井。5.固井质量：优。86旋转扭矩分析座挂前的扭矩：钻具的摩阻＋尾管的摩阻＋粘吸摩阻钻具摩阻－－可以实测尾管摩阻－－可以计算粘吸摩阻－－根据泥浆性能和静止时间来定，一般加30%。87扭矩问题的讨论克服粘吸扭矩是关键：需上提管柱再进行旋转。所以涉及钻杆的抗拉和抗扭两项性能。菲利普斯在进行了9000m大延伸井作业时，由于担心4000m7”尾管在水平段转动扭矩会损坏套管，曾将两根套管FOX扣的套管上扣至30千磅·英尺，套管并未损坏，所以我们在大延伸井中的旋转扭矩均大于其套管的最大上扣扭矩。Ⅱ级G105的钻杆的抗扭应该是53-66KN·m。按50%来算，应该有30KN.m的抗扭能力在百勤以往的旋转尾管作业过程中，曾经历过有记录的37KN·m和试转20圈的经验，并未见有套管或钻具损坏开始旋转前，静止的时间越短越好。88旋转尾管固井技术旋转尾管固井是保证尾管顺利下到位和取得优良固井质量的有力保证。在综合分析和合理利用旋转尾管所需设备工具的基础上，认真组织施工，在转盘钻机的条件下实现旋转尾管固井是可行的。应用实例表明，可旋转尾管固井工艺在陆上固井中应用前景广阔89尾管旋转固井技术注意事项(1)下套管井段处理好泥浆确保井内安全，为下套管提供一个合格的井眼；(2)采用低固相钻井液体系，并采用足够的排量，满足了携岩要求，确保岩屑带出地面，保持井眼清洁，形成薄而致密的泥饼基础上强化润滑性能，减少井下复杂，保证井下安全；(3)采用不同的钻具组合通井，反复对井眼进行修整，为下套管及旋转固井提供了良好的条件。

907、调整井固井质量进一步提高东部老油田平均含水率已达到80%，有的油田甚至达到90%以上，由于长期注水开采，导致注采失衡，压力紊乱，破坏了地层原有压力系统，严重影响了调整井的固井质量。917、调整井固井质量进一步提高东部老油田通过界面胶结机理、高含水后期钻井配套技术、三次加密调整井钻井完井技术、地层压力系数与固井质量的关系、防窜水泥浆体系和低密高强水泥浆体系等技术的研究、开发与推广，继续推广管外封隔器等成熟技术，使调整井的固井质量有了很大提高，满足了勘探开发的要求。928、水平井及特殊工艺井固井

技术逐步配套完善近几年来国内各油田加大了水平井的应用力度。为满足地质勘探和油田开发的要求，目前水平井技术正在向大位移水平井、侧钻水平井、分支水平井、径向水平井等特殊工艺水平井的方向发展。随着滩海油田的勘探开发，大位移井、大斜度井数量也越来越多。针对水平井及特殊工艺井固井问题，相关油田推广应用固井优化设计、套管居中、提高顶替效率、高性能的水泥浆体系、储层保护等成熟的配套技术，有力地保证了水平井及特殊工艺井的固井质量。939、储气库固井技术得到发展随着陕京天然气、西气东输管道的建成，为保证京津及长江三角洲下游地区的长期安全供气及季节调峰，国内近年来加快了储气库的建设速度，在此过程中，发展并完善了枯竭气藏储气库固井技术及盐穴储气库固井技术，使我国储气库的建设技术逐步成熟，为安全供气提供了保障。9410、提高顶替效率和二界面

固井质量的综合技术

对于有油气侵发生的井，采用驱油型前置液，增强水泥浆与井壁之间的相容性，提高二界面的胶结质量；推广应用胶乳防气窜剂、晶格膨胀剂等特殊水泥浆体系，对提高第二界面质量有明显效果；合理设计扶正器数量；大量应用旋流发生器；固井前和施工过程中活动套管，提高了顶替效率，二界面固井质量得到改善。9511、岩盐层、强蠕变地层固井技术近年来针对盐膏层固井开展了重点技术研究。通过测算盐膏层蠕变速率，在盐膏层井段采用复合无接箍套管结构，避免了盐膏层蠕动造成的套管挤毁变形。利用冲洗液和加重隔离液有效地解决了盐膏层固井流态差的问题，使顶替效率有了显著的改善。开发的双凝双密度抗盐水泥浆体系很好的解决了盐膏层井长封固段的返高和固井质量问题。96四、固井工具

1、为适应水平井、大位移井固井要求，相继研制开发了滚珠式刚性扶正器、井下启动刚性扶正器、套管漂浮接箍等。2、为解决漏失层、气层等特殊复杂地层固井问题，研制开发了水泥浆膨胀的长裸眼封隔器，可通过水泥浆进行膨胀永久性封隔地层，取代注水泥作业，并能在封隔器上进行射孔作业，满足测试、生产需要。97各种各样的扶正器系列可以满足不同的固井作业要求固井扶正器98小井眼扶正器设计用于超小间隙的井况；可转动的和不可转动两类；扶正条受到短节的保护；满足或超过同管串套管的抗压,抗挤和拉生强度。99刚性扶正器100刚性扶正器101刚性扶正器1023为适应欠平衡钻井技术的需求，美国贝克公司研制开发了在欠平衡条件下，下入尾管专门井下装置，从而保证了全过程欠平衡作业的实施。4遥控水泥头。减少了开挡销释放胶塞的时间，保证了施工的连续性。

四、固井工具

103

FREECAPPackers

5、自动膨胀封隔器104工作原理

-分为遇水膨胀和遇油膨胀两种。-可以在钻井液、完井液、生产液、水和油中膨胀。四、固井工具

105自动膨胀封隔器的特点

1、稳定的性能，成功率100％,可适用于套管井和裸眼井。2、合理的膨胀比例，外径膨胀比可达到1.3,体积膨胀比可达到2.5。3、可在单井中同时下入多个自动膨胀封隔器。4、高耐压差性能,可到达10000PSI。5、长使用寿命,没有移动部件,设计寿命大于25年。6、可以调控的膨胀时间,在液体中完全膨胀时间可以调控在从12小时到720小时以上不等。7、高耐温性,可耐350华氏度(176摄氏度)高温,即将推出的新产品可以达到500华氏度。8、强抗腐蚀性能,在酸碱条件下都可应用。106应用范围

-隔离不同的层位。-酸化作业。-复杂的完井。-分层开采。-固井。107FREECAPI

型固定式

-胶筒长度从1英尺到35英尺，胶筒固定在油管本体上。108FREECAPII型滑动式

-长度从3英尺到10英尺，可作为安装一个附件在管串的任何位置。109FREECAPIII型隔离式

-长度1英尺的膨胀胶筒,用于隔离筛管。110决定封隔器性能的因素

-胶皮的化学成分。-井底的液体。

-井下温度。-膨胀时间。-密封筒长度。111水平井完井应用

112

成功保证固井质量，防止气串应用

1136、固井短节

114

ROTATIONALPORTCOLLAR

旋转式固井短节13-3/8”—30”

115

UP/DOWNPORTCOLLAR上下移动式固井短节2-3/8”—13-3/8”

116

COMBINATIONTOOL

送入工具总成117

CEMENTINFLATETOOL

固井膨胀工具

118传统分级固井的下入工具

-分级箍。-悬挂器，尾管回接。119传统固井工具的存在的问题

-分级箍的不安全性。打开不正常，关闭不严，试压不能达到设计要求等等。-悬挂器和回接的昂贵价格。丢手困难120固井短节克服了分级箍的缺陷

-自锁机构可以保证固井结束后循环孔完全关闭，没有塞子，节省了钻塞时间。-高压井工具采用金属密封形式，使全井管柱不再有薄弱环节。121固井短节双级固井程序

1.下入套管。2.在与固井短节工具下部相连的膨胀封隔器上下分别安装扶正器，循环压力要小于封隔器的膨胀压力的75%。备注:可不下封隔器。122

3.套管下至设计井深。4.下入送入工具和插管总成。5.进行一级固井

。固井短节双级固井程序123

6.一级固井结束后，上提插管，检查回流。7.上提工具至封隔器定位短节处。8.投送入工具的开孔球。9.打压建立与封隔器的压力传递通道。10.膨胀封隔器。固井短节双级固井程序12411.将工具上提至套管短节处，下压或左转1/4圈打开固井短节的循环通道。12.建立循环，进行二级固井。

13.上提设定工具，固井短节。14.打压验证固井短节是否完全关闭。固井短节双级固井程序125双级固井

15.

固井结束后，起出设定工具，

施工结束。126

五、注水泥计算机动态模拟与设计系统国内外普遍研制开发了相应的注水泥动态模拟与设计系统，提高了固井设计的针对性和准确性。

美国LANDMARK、道威尔—斯伦贝谢、哈里伯顿公司都拥有先进的固井设计及作业评价系统。127固井模拟技术

通过自主开发模拟实验装置，建立实验评价方法，逐步形成了一套先进的固井模拟实验技术。自主研制开发了水泥石动态力学性能实验装置、水渗流影响模拟实验装置、固井模拟井筒装置、固井二界面模拟实验装置和射孔验窜模拟装置。在研发装置的同时，建立了水渗流影响固井质量的实验方法、固井二界面评价实验方法、射孔对水泥环的损伤评价实验方法。这些装置的研制开发与实验评价方法的建立，为调整井固井技术的发展起到了关键作用。

128六、注水泥设备

美国是生产成套固井设备的主要厂家，主要包括哈里伯顿、道威尔—斯伦贝谢和BJ公司，中国主要是江汉石油管理局第四石油机器厂。

水泥浆的密度最高可精确控制在2.64g／cm3以内。

129最高压力：35MPa～100MPa最大排量：1600～4000L/min安装方式：车装、拖挂、橇装混浆系统控制：自动混浆密度控制、手动控制、数字显示系统四机厂固井设备系列产品130-27-万国底盘VOLVO底盘康沃斯底盘奔驰底盘四机厂固井设备系列产品131GJC100-30（VOLVO底盘）国III排放GJC100-30双机双泵固井车132主要技术参数

◆最高工作压力MPa（psi）：97.5（14147）

◆最大工作排量L/min（gpm）：3000（792）

◆整车长×宽×高mm（in.）：480×105×154（12190×2660×3900）

◆总质量kg（lb）：28000（61700）

◆底盘型号：THT9360TDsemi-trailer

◆车台发动机型号：DDC6064-MK33×2（可选CAT发动机）

◆功率kW（hp）：336（450）@2100r/min

◆前置发动机型号：DDC6064-TK33

◆功率kW（hp）：205（275）@2100r/min

GJC100-30双机双泵固井车133混浆系统特点：1.喷射式循环循浆2.喷射压力高、混浆能力大。3.除气效果好、水泥浆密度均匀。4.水泥密度可自动控制也可人工控制。5.可显示、记录、存储水泥浆密度、清水流量、压力等固井作业参数。6.实现远程图形化显示固井作业参数。混浆系统主要参数：混浆能力:

2300L/min水泥浆密度精度:

±0.020g/cm3水泥浆密度:一般工况1～2..5g/cm3（可设置特种混浆工况）GJC100-30双机双泵固井车混浆系统134全新混浆槽结构：1.混浆槽为两室圆锥弧形结构；2.循环泵及灌注泵可互换；3.流线型的混浆槽结构使搅拌流畅，不留死角；4.大容积的混浆槽，有效容积达到2m3；5.两室分别带有搅拌器使水泥浆更加均匀、密度更稳定；

6.扩散槽设计有清洗装置。-23-GJC100-30双机双泵固井车135GJC100-30双机双泵固井车

ACM-IV密度自动控制系统的应用136密度计特点：1.非放射性密度计可以瞬时测量固井泥浆的密度值。2.精度高、操作简便。3.可根据需要选择计量密度、质量流量、流体温度等参数。4.利用科里奥利氏力学原理设计，性能稳定、无运动部件、使用寿命长。5.抗酸碱、耐腐蚀、测量结果不受流体类型、压力、温度等因素影响。GJC100-30双机双泵固井车密度计137集中控制远程数据采集系统，同步监测、曲线显示及回放压力、密度参数两套显示独特的仪表箱盖板，防光、防雨GJC100-30双机双泵固井车仪表控制台138我们在固井车的混浆系统的基础上，开发了国内第一台技术先进的HJC16固井批量混浆车，具有泥浆密度自动控制功能，能连续大批量地混配出高质量的水泥浆。

固井批量混浆作业设备的开发，提升了我国石油装备的研发能力,为降低油田开发成本提供了更先进的设备。HJC16批量混浆车近年来，深井和超深井的固井作业日益增多,对水泥浆密度的均匀一致性要求高，现有固井车的混浆系统所混配的水泥浆密度已经不能满足固井作业的要求。139七、固井质量评价标准更加健全固井质量评价已从以前单一的CBL部分过渡到CBL/VDL，在部分重点井上应用了超声波成像测井（USI）、分区胶结测井（SBT）、MAK-II等，使评价的真实性、科学性有了提高。近年来，制定了一系列固井规范及固井质量评价方法，如《固井质量评价方法》、《固井作业规程（常规井及特殊井）》，这些规范和方法不仅有利于正确地指导固井设计与现场施工，而且可准确地评价固井质量，及时发现固井中存在的问题，以便及时采取针对性的技术措施。140八、目前国内固井存在的问题与难点

近年来钻井数量逐年增加，井也越打越深，高压井、高含硫井以及复杂结构井等也越来越多，固井难度也随之越来越大，问题及难点也越来越多。这些问题和难点主要来自于天然气业务跳跃式发展、开发技术的不断深入、新工艺新技术的应用等。1411、深井、超深井固井技术还不过关井深5000m以上深井、超深井固井技术还不过关，特别是井底温度180℃以上高温井固井难度加大。井深5000m，180℃以上的高温对水泥、外加剂提出了更高的要求，目前国产外加剂的抗高温性能较差，对温度过分敏感，需要加强研究开发力度，以尽快生产出性能优良的国产抗高温外加剂。1422、高密度、超高密度水泥浆固井

有待进一步提高国内虽然在高密度、超高密度水泥浆固井方面，虽然保证了固井的成功，但是固井质量普遍较差，还需要在高性能加重剂、外加剂、水泥浆体系优化、提高顶替效率、固井工艺、水泥浆现场配制方面做深入的研究工作。1433、深层气井环空气窜问题依然

还很严重气窜是一个世界性难题，国内尽管做了许多工作，也只能说基本上弄清了气窜的机理，但还没有找到针对高压气井固井防气窜的切实有效的解决办法。目前深层气井固井质量普遍较差，固井施工中问题和固井后环空带压问题突出，给以后的生产带来了巨大的隐患。西部某气田有11口井环空带压，KL2-10井97/8〃技术套管固井施工达到设计要求，但投产后套压达到50MPa以上。这些情况说明深层气井固井在环空气窜问题上还没有得到根本解决，急需我们进一步深入研究。1444、窄安全密度窗口固井问题

依然突出针对塔里木油田的克拉、迪那气田，新疆、四川等油田的窄安全密度窗口固井问题，固井前尽管采取了地层承压堵漏、运用防漏水泥浆、采取近平衡压力固井工艺、配套隔离液、低排量替浆、减少下套管及固井中的压力激动等措施，但是仍然没有达到理想的固井效果，不仅固井质量差，而且固井中的井漏问题没有得到根本解决。1455、复杂调整井固井难度加大，固井

质量亟待提高。东部老油田由于套管损坏等原因造成的注采不平衡，导致部分复杂区块在井筒剖面上出现异常低压层的压力系数只有0.6左右，而异常高压层压力系数高达2.0以上，个别井层间压差在8MPa以上，致使保证和提高复杂调整井固井质量的难度加大。在复杂调整井（高渗低压、高压低渗调整）一界面固井质量优质率、二界面合格率还很低。1466、小间隙固井技术需要加强综合研究小间隙固井问题主要出现在深井、超深井中，井眼质量差，井下状况恶劣，有的无法加放