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。

(1)使用循环容积效率法,确定固井前钻井液的循环处理时间,以此作为判断井下钻井液循环是否充分的依据。

(2)明确了“三压稳”理论,即固井前的压稳、固井过程中的压稳和候凝过程中水泥浆失重时压稳,并成为高压油气井固井、油气水层活跃的井固井及长封固段井固井设计的基本准则。

(3)发展成熟了低返速固井技术。受地层、设备、材料、水泥浆体系等条件的限制,有的井难以实施紊流固井,采用低返速固井技术基本解决了该类井提高顶替效率的问题。

(4)高压油气井固井技术。近年来加强了对气窜失重机理的研究,摸清了水泥浆失重与气窜的机理,总结了影响气窜的主要因素,提出了综合防气窜的技术措施。

(5)浅层气井固井技术。在过去的十几年中,国内对注水泥的研究主要集中在深井防窜材料和工艺技术方面,对浅层气研究较少。近年来,通过对浅层气固井工艺、水泥浆体系的研究,基本解决了这类浅井固井的技术难题。

(6)固井设计水平有新的提高。科学、合理地进行固井设计是提高固井质量的基础和保证,近年来,国内各油田的固井设计水平逐渐提高,设计时考虑的因素更加全面。

(7)采用计算机注水泥设计和评价注水泥作业,提高了固井设计的可靠性和科学性。

(8)采用综合固井技术提高固井质量,降低每一项因素对固井质量的影响。固井是一个系统工程,不能期望单项技术或措施就能很好的解决问题,而应该从多个环节去加强,才能取得好的效果,这一认识已成为固井技术人员的共识。

为了适应API水泥的转化及国内油田的各种复杂的井况固井需要,相应研制了一系列的水泥外加剂,水泥外加剂已初步形成系列。目前已有降失水剂、减阻剂、防气窜剂、消泡剂、促凝剂、缓凝剂、充填剂、膨胀剂、抗高温强度退化剂、前置液和后置液10大类100多个品种。

我国外加剂研究和应用方面的力量日益增强,防气窜理论、外加剂作用机理研究日益深入,有机合成技术迅速提高,一批新型防窜剂已研究出来。通过对聚合物外加剂的研究,提高了降失水剂的耐温性和抗盐性,减少了其在低温下的缓凝作用,提高了配制浆体的相容性和沉降稳定性。

外加剂应用技术日趋成熟。性能良好的外加剂的推广应用，大大提高了高温高压、活跃油气水层、长封固段等复杂井况条件下的固井质量。

(1)短候凝水泥浆体系。该水泥浆体系主要是针对浅层低温井设计的,注水泥完成6～ 8 h，就可以达到二次开钻所需3.5 MPa以上的水泥石强度。

(2)MTC固井技术。MTC固井技术可以有效解决复杂条件下的顶替效率问题,并部分解决了废弃钻井液的处理问题,减少了环境污染。该项技术已在多口技术套管、生产套管、尾管固井中成功应用。

(3)高密度水泥浆固井技术广泛应用。高密度水泥浆解决了高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层等复杂地层的固井问题。

(4)新型泡沫水泥及超低密度水泥浆。该体系能显著降水泥浆的密度,特别适用于易漏的地层及长封固段井固井。

(5)防窜水泥浆体系研究。通过研究与现场实践,国内形成了多套防窜水泥浆体系,如胶乳型防窜体系、发气型防窜体系、膨胀体系、直角凝固型防窜水泥浆体系等。

(6)塑性水泥。塑性水泥就是在水泥中加入塑性剂,以增加水泥石的抗拉强度,降低水化过程中的收缩,增加裂缝韧性,提高粘附胶结力。

水泥车是固井施工中的主要设备之一,其性能好坏直接影响固井质量。近年来国内各油田引进了国外先进的CPT- Y4、CPT- 800 D型水泥车，购买了国产的新型高性能的水泥车，淘汰了一批旧的性能差、排量小、混浆能力低的水泥车。水泥车的更新换代,特别是混浆系统的改进(从常规射流混合器逐步演变成内循环射流混合器)，对水泥浆的混浆质量起着决定性的作用。密度是保证固井质量的关键参数之一,设备的更新能有效保证水泥浆密度的均匀性,有利于提高水泥浆的混合能,保证入井水泥浆的性能,保证固井质量。

为了更好地满足水泥、外加剂干混的需要,保证混拌的质量,部分油田在更新注水泥设备的同时,还建立了先进的水泥干混、湿混装置,保证了水泥与外加剂的混合均匀的程度。

部分油田水泥浆化验仪器的配套程度也进一步得到提高,许多水泥浆实验室不但配备齐全了常规的化验仪器,有的还配备了如动失水仪、水泥胶凝强度连续测试仪、防气窜测试装置等非常规测试仪器。水泥浆化验仪器的改善,提高了固井设计的水平,更好地优化了水泥浆体系,保证了入井水泥浆的性能。

(1)自动随位脱挂尾管悬挂器。该悬挂器允许循环压力达到25 MPa，可以在下尾管和注水泥时活动套管串,固井施工与常规固井一样,碰压后悬挂器能自动坐挂、脱挂,不需要倒扣,固井后尾管内不留水泥塞。该悬挂器已在辽河油田、胜利油田成功应用多井次。

(2)外台阶式悬挂器。该悬挂器由于坐挂机构简单,坐挂可靠,很有希望成为深井、高密度钻井液尾管固井的有效工具。

(3)SJ型分级箍。分级箍外径与套管接箍一样大,增加了内、外套的壁厚,使分级箍的刚性、强度、耐温性、抗内压和抗外挤能力都得到了加强，同时，增设了溢流和锁紧装置,保证打开和关闭容易可靠。

(4)套管外封隔器(ECP)。套管外封隔器在长封固段井、高压井、调整井固井中的应用得到了加强,有效解决了不同压力层系之间漏与窜的问题，尤其在油水层活跃的调整井固井中取得了良好的应用效果。

(5)内插固井工具。内插固井工具在大尺寸套管长封固段固井中使用较多,缩短了施工时间，减少了混浆量,提高了套管鞋处的封固质量。目前内插工具已有上密封和下密封两种类型。

(6)不用钻水泥塞的分级箍。近年来研制的不钻水泥塞的分级箍，双级固井后不用钻上内套及下内套，节省了钻分级箍的时间，并有利于保证分级箍处的水泥胶结质量，节省了上小钻杆的费用。

(1)套管柱强度设计。由分别计算抗拉、抗内压、抗外挤发展到复合应力计算，在稠油热采井中考虑了温度的影响，在水平井中因井眼曲率增大考虑了弯曲应力，使套管柱强度设计日趋完善。

(2)双层套管固井技术。针对盐岩层的蠕动问题,为了保护套管，防止挤毁，采用了双层套管固井技术。

(3)套管磨损预测和套管保护技术。该项技术包括套管磨损点钻杆侧向力、磨损厚度、磨损后套管强度变化等。已有的试验结果表明，实施套管保护技术后,滑动摩擦系数由0.65降至0.10～ 0.24,扭矩比大于3.5。

(4)新型套管丝扣密封脂。新型的套管丝扣密封脂具有在一定时间后固化的性能，防止了高温下密封脂的流失，并对套管丝扣有一定粘结作用，该密封脂适用于深井固井中应用，在西部油田及复杂井固井中应用广泛。

(5)特殊扣型套管在气井固井中的应用得到加强,主要套管扣型有NSCC、NK- 3SB、FOX等。

水平井固井套管设计

长半径水平井和某些中半径水平井可以下套管固井。在水平井套管设计中的主要问题是套管是否安全地穿越弯曲井段。

（1）套管强度设计。水平井套管受力情况复杂,在套管下入过程中,承受轴向弯曲载荷、超压常的上提和下压载荷。因此,水平井套管设计较常规直井(或定向井)套管设计强度要高一等级,如直井用钢级J55壁厚7.72mm套管,水平井则用钢级N80壁厚7.72 mm套管,抗拉强度设计,除计算正常轴向载荷外,还应计算弯曲附加轴向载荷,上提最大吨位，抗拉强度安全系数不低于1.80，上提最大吨位时的套管抗拉安全系数不低于1.5。

（2）套管下入过程中各种阻力计算。套管下入过程中的阻力主要由两部分组成,其一是通过急弯时的局部阻力,由井眼条件决定,主要影响因素是该井的最大全角变化率；其二是套管与井壁的摩阻力,由相当于水平位移长度的套管重力和套管与井壁的摩擦系数决定。套管能否顺利下入,取决于套管自重力(浮重)是否大于上述两部分阻力。仅靠套管自重力下入套管时,在靖安油田,垂深1 900 m,水平井位移可达到600 m,套管能顺利入井。利用地锚增加轴向下压力则能大大增加水平段的长度。套管一次性下到设计井深,是固井施工的前提,在四川,下套管之前,采用理论设计和模拟通井技术,很好地解决了下套管问题。

套管居中

（1）扶正器的种类。目前国内使用的套管扶正器有三种:刚性扶正器,扶正力为最大,有导流功能,可提高顶替效率,但刚性也最大;双弧弹性扶正器,其扶正力为单弧扶正器的两倍;单弧弹性扶正器,其扶正力比双弧弹性扶正器较小。

国内水平井固井在水平井的水平段多选用刚性扶正器和双弧弹性扶正器间隔加入的方法,每20 m加一只刚性扶正器和一只弹性扶正器,其扶正力足以支撑平躺套管的重力,从理论计算和实际施工结果看可以保证套管居中度大于水平井固井水泥浆体系的要求。

另外国内还有一种旋流式扶正器,它是以弹性扶正器为基础进行研制的。旋流式扶正器有3个导向叶片,在导向叶片角度为35°～ 40°,张开角为100°～ 115°时可以得到最佳旋流导流效果。旋流式扶正器使水泥浆在环空中形成一定的旋流场,且主流速越大,旋流场强度越大,形成的环向流速也越大。试验结果表明,越靠近井壁处旋流强度越大;在返速是0.8 m/s时,实测旋流场的有效范围达5 m。现场实际返速远大于0.8 m/s,所以旋流场的有效范围也相应增大。卫2— 25井在水平段井眼内全部使用旋流扶正器,每根套管加1个,共加50个;其它位置加30个。无可置疑,旋流扶正器的使用对提高顶替效率是有帮助的。

提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而,在实际施工中活动套管因种种困难难以实施。对于大斜度井更是如此。使用旋流扶正器等机械辅助方法来提高注水泥顶替效率是近年来一个新的发展方向。借鉴这些技术,国内设计了刚性旋流式扶正器。其目的是一方面支撑大斜度井段靠在井眼下侧的套管,防止粘卡和增大间隙居中套管,同时又可以迫使流过旋流扶正器的钻井液和水泥产生旋流以提高顶替效率。室内模拟试验表明,旋流扶正器可以在很低的排量下使流体产生旋转,并且随着排量增长,有效旋流长度维持的距离也越长。流体通过旋流扶正器之后流态发生变化,旋转向上的液体具有一定的离心力对提高管边和大肚子井眼滞留泥浆的顶替效率有显著改善。

（2）扶正器安放设计。通过室内台架试验与理论研究,对水平井套管设计与强度校核中套管抗弯强度安全系数的取值与水密封性能及套管扶正器安放间距设计的新方法进行了研究。

研究认为:(1)在最高复合应力达857VME，20°/30 m狗腿严重度下,选用合适的螺纹密封脂,水密封性能良好,可满足水平井需要。(2)采用国外钻井承包商推荐的套管抗弯安全系数取值进行水平井套管强度设计与校核可满足水平井固井技术要求。(3)采用具有初变曲的纵横弯曲连续梁理论较好地解决了扶正器正确安放间距计算问题,从而修订了API规范与SY- 5334- 88把本属于静不定的问题作为静定问题来处理的错误做法。

（3）套管扶正器的正确位置套管扶正器的正确位置,是保证斜井与水平井固井质量的前提。在全面分析安装有多个扶正器套管柱的力学特性的基础上,采用了有初弯曲连续梁的力学模型,用初弯曲纵横弯曲梁理论和三弯矩方程组成的多元线性联立方程组,从理论上解决了斜井和水平井套管扶正器安装位置的正确计算方法。

（4）套管居中技术。由于井斜角影响，水平井中套管、钻井液、水泥浆和隔离液，所受重力方向已不再是轴向而是径向，这一重力极易使套管偏心，一旦套管偏心对水泥浆顶替存在以下2点难点：一是水泥浆紊流顶替能确保最佳的固井质量,但随套管偏心度增加,其临界排量逐渐增大。二是在套管偏心的环空中,宽环间隙边的水泥浆流动阻力总小于窄环间隙边,造成宽环间隙边水泥浆流动速度总是小于窄环间隙边，从而形成水泥浆窜流。

技术储备不足

当今的钻井技术已经由原来的钻浅井、中深井,发展到超深井,井的类别也已经由原来的直井发展到定向井、开窗井、水平井、大斜度井、分枝井、小井眼井等类别。钻井工艺的发展已经能打出各种各样的复杂井,为满足这些复杂井的固井需要,原有的固井技术已远远不能满足这些复杂井的要求。

国内除在常规固井技术方面比较成熟外，在欠平衡井固井、大斜度井固井、分枝井固井、小井眼固井、不停注的调整井固井、高温高压深井超深井固井、煤层气井固井等方面技术储备不足,固井时没有针对这些特殊井的地质和钻井特点,设计合适的固井技术,不但影响了固井质量,也影响了油气层产能的发挥。

固井工具

固井工具主要表现在类型不全,除内插注水泥工具、尾管悬挂器、分级注水泥器、管外封隔器等常用工具外,其它工具少。同时对固井工具质量的把关不严,工具的材质差,造成使用的可靠性差,在一定程度上影响了固井质量。如尾管悬挂器经常发生下不去、挂不住、倒不开、提不出以及提前座挂的问题；分级注水泥器经常发生打不开、关不上或提前打开的事故;管外封隔器经常发生下不去、封不严或打不开的事故。

评价固井质量基本采用水泥胶结测井(CBL)

国内评价固井质量时绝大部分井采用CBL。CBL测井还不能完全真实地评价固井质量,特别是第二界面的胶结质量。尽管在部分井上加测了变密度测井(VDL),但是并不作为评价固井质量的标准,而只是作为定性参考。近年来从国外引进了SBT(扇区胶结测井),但只是在少数井上应用,也没有相应的检测标准,影响了该技术的推广。

在国外,水泥外加剂和固井工艺、固井装备等方面发展很快,但测井合格率只有80%左右。而我国的固井合格率10多年前就已达到99%以上,有的油田甚至连续几年达到100%。实际我国的固井技术在外加剂的应用、工艺技术、固井工具、固井装备等方面是比较落后的,落后的固井手段与优良的测井结果,这是矛盾的。

质量的检测标准要求低

国外在评价固井质量的标准方面要求很严格,不单单以第一界面(CBL测井得出)的封固情况来评价固井质量,更主要的是检查第二界面的胶结情况,并且参考投产以后层间是否发现窜流作为依据。评价固井质量时以CBL、VDL、SBT综合评价,不单以CBL的结果为准。

国内评价固井质量还是基本采用CBL来评价:相对声幅值小于15%定为优质,在15%和30%之间定为合格,大于30%的定为不合格。

外加剂总体质量不高

国内外加剂虽然在种类、数量上与国外相当,但质量和性能相差较远,特别是某些外加剂的副作用大。有些外加剂虽然能抗高温,但是温度低于此温度时,水泥浆又长期不凝。

对于油气水层分布段长且非常活跃的长封固段防气窜固井来说,尚无特别适用的外加剂。缺乏深井超深井固井用外加剂,特别是抗温180℃以上高温的缓凝剂、降失水剂缺乏。这说明国内在外加剂研究及应用方面还有许多工作要做。

固井设计方面和国外相比差距较大

随着计算机技术和固井工艺技术的发展,国外普遍采用计算机对套管设计、注水泥流程等进行分析,研制与开发了相应的注水泥动态模拟与设计系统,大大提高了固井设计的针对性和准确性。国内目前的固井设计,包括一些复杂井的固井设计还基本采用人工设计。

固井研究的深度和广度不够

近年来,国内在固井工艺、外加剂、固井工艺等方面虽然取得了较大的进步,但是与国外相比,还有较大的差距。主要表现在基础研究落后,同时研究的深度和广度也不够，这在一定程度上影响了固井质量的进一步提高。

虽然国内的固井质量一直保持在一个较高的水平上(各油田均近100%),有的油田连续几年的固井质量一直保持在100%。但是仍有部分井的固井质量存在问题。主要表现在以下几个方面:

部分探井的固井质量差

主要原因是对地层情况认识不清,井眼质量差,固井工艺技术应用不当,建井周期长,取心、电测和中途测试又拖延了完井时间,进一步造成了井眼状况恶化,增加了固井的难度。

小间隙井眼固井质量差

根据各油田的实践, 215.9井眼下入 177.8套管及 152.4井眼下入 127.0的套管的固井质量不易保证,一般比较差。

调整井、高压气井及复杂井的固井质量差

造成这类井声幅测井不合格、管外冒油冒气、试压不合格等问题的原因是:调整井没有很好地采取停注、放压等措施,没有摸清地层的压力分布规律;高压气井没有很好地采取“三压稳”及综合防气窜技术,水泥浆的防窜性差;复杂井对影响固井质量的因素考虑不全面等。

深井、超深井固井质量差

深井、超深井固井由于井底温度、压力高,水泥柱上下温差大,井眼压差大,钻井液密度和固相含量高,环空间隙小,泵排量低,提高顶替效率困难,给固井工艺、材料施工等方面提出了很高的要求。深井、超深井的套管程序一般是 508、 339.7、244.5、 177.8、 127,从而导致主要勘探目的层在深井段要面对小间隙、长封固段等复杂条件,固井质量难以保证。

深井、超深井固井完井管柱由于设计不完善,固井工具性能不能满足要求,也会导致一些井出现较严重的固井问题。

国内的固井技术近年来虽然有了较快的发展,但是和国外相比，还有较大差距。主要表现为:

(1)基础研究落后，研究的深度和广度也不够。

(2)实验手段缺乏，缺少专门评价水泥浆性能的仪器。

(3)固井工艺细节设计不完善，固井设计时对地质因素考虑少。

(4)外加剂品种和性能与国外相差较远,配套性差，某些外加剂的副作用强。国外的油井水泥、外掺料及外加剂,自上世纪八十年代初开始以较快的速度发展,逐步形成系列化的产品;九十年代以来,在品种和数量方面的增长速度趋缓,但是加强了对水泥浆性能要求和不同外加剂基本性质和作用机理等方面的研究,在防气窜剂、高温缓凝剂、降失水剂、水泥石强度提高和抗衰减剂等外加剂方面进展很大,合成聚合物类产品成为主流,外加剂的另一个特点是一剂多效,外加剂性能的改进对于保证常规水泥浆的固井质量起到了积极的促进作用。

(5)计算机辅助注水泥设计及评价方面几乎还是空白。

(6)固井施工的自动化程度低。固井技术研究的建议我国陆上石油工业发展的战略方针是“稳定东部,发展西部”。东部主要是在老区挖潜和深层,西部主要为深井和超深井。复杂的地质条件和复杂的井身结构给固井工作造成了很大的难度,在一定程度上制约了固井质量的提高。东部油田已进入开发后期,由于在老油区长期的注水开采,破坏了地层原来的压力系统,同一口井内多套压力系统并存,油气水处于动态,地层结构发生破坏,长期的注水开采使地层压力变得相当复杂,综合含水率不断上升。东部油田平均含水达到80%,有的油田甚至达到90%以上,所有这些都严重影响了调整井的固井质量,不但影响了后期增产作业的实施,也造成了大量的剩余可采储量无法采出。

西部油田固井的特点主要是地层压力大、温度高,钻遇地层压力系统复杂,岩性变化大,井眼深。深井超深井的高温高压以及复杂的地下情况给固井工作带来了很大难度,对固井工艺、固井材料、水泥浆性能等方面提出了更高的要求。由于深井超深井在固井方面存在的复杂性,使固井质量往往难以达到理想的效果。

许多多年来常期存在的固井技术难题现在仍然没有很好地解决,固井技术远未达到可靠的程度,严重影响了固井质量的提高。部分井固井质量差影响了勘探开发工作正常进行,在一定程度上制约了这些地区的勘探开发速度与效果。随着我国油气勘探开发的深入,复杂地质条件下油气藏勘探开发领域的扩大,东部老油田综合含水率的不断上升,西部深井复杂井的钻探,以及提高油气勘探整体效益为目标的新要求,固井技术面临着全新的挑战。固井技术不仅要满足钻井完井工程和保护油气层的需要,而且更要满足提高勘探成功率、提高开发效益的要求。

为了使油田固井质量不断提高，使油田开采的效率提高，实际开采中，对于油田固井技术进行不断地改进，从而使得油田固井技术得到不断地发展。

油田固井技术的三次加密井固井技术

油田固井技术的三次加密井固井技术，能够对薄差油层、表外储层的问题进行进行很好的解决。由于薄差油层的面相对较薄、固封段的长度相对较长，因此，出于保护固井质量的原因，通过相应的措施，对油层相互窜同的问题进行调控。同时，需要预防原油层和进行调整后的油层间发生窜同现象。

基于此，对于油层全段的封固效果进行全面考虑。固井质量控制同时受到低渗高压层的影响，因此，钻井应该将孔隙和地层之间的压力进行严格管理控制，通过施工时间的调整，施工难度的降低等措施使低渗高压区的压力得到释放，从而满足固井质量的要求。

油田固井技术塑性水泥浆技术

一般而言，水泥浆的抗拉能力差、抗压能力差，具有脆性。油田深井眼中的间隙比较小，水泥作业过程中井壁的水泥环相对来说非常薄弱。但是，当进行油气层射孔时水泥环遭受的冲击力、压力以及震动比较大，此时无疑会使油田的开采受到非常大的影响。基于此，利用早强增塑剂，使塑性水泥抵抗冲击的能力大大增强，同时也使水泥的弹性增强，从而满足石油开采的作业要求。

油田固井技术中深层高温高压长封井固井技术

①通过深井套管的浮箍技术和深井套管的浮鞋技术，能够解决油田深井高压高温作业条件下的套管串的密封； ②当油田作业进行深井作业时，利用刚性扶正器，同时合理地使用施工道具，使施工顶替效率提高。

进行深井作业时，为了使神农水泥的抗高温抗高压的能力提高，在深井水泥中增加辅助剂，从而使失水问题得到有效的控制，无疑使得水泥强度增高。为了预防泥浆出现渗漏问题，一般使用低密度的水泥，对于油气污染能够做到有效的预防与控制。

油田固井技术的实施能够使施工固井质量得到提高，从而能够更好地进行油气资源的开发。施工过程中，基于常规水泥浆满足的前提下，尽量采用收缩率低、失水性低的水泥浆。另外，基于不同套管，对水泥浆配置方法进行优化，通过科学的固井技术使顶替效率提高。在油田高温高压作业条件满足的前提下，通过科学的施工方法进行油田井下作业，使固井质量得到有效提高。