現代固井裝備發展概述

李哲　(中石化石油工程機械股份有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

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現代固井裝備發展概述

李哲(中石化石油工程機械股份有限公司第四機械廠,湖北 荊州 434024)

[摘要]經過30多年發展，我國固井裝備的研制從初期的仿制到關鍵技術引進、自主創新開發，發展到今天，已經與國際水平同步。隨著設計、制造和控制新技術的研究應用，大型固井裝備的配套能力逐漸提高，大排量、高壓力條件下的多臺固井裝備協同作業成為現實。面對近年來急劇增長的市場需求和國外公司潛在的競爭態勢，國內固井裝備制造業需要深化研究，為產業提升創造條件。介紹了國內外固井裝備研發、制造技術現狀，結合工程需求，總結歸納了國內固井裝備實現可持續發展的突破點，指出了固井裝備的發展方向，描繪了固井裝備的發展藍圖，為固井裝備新技術的開發、應用打下基礎。

[關鍵詞]固井裝備; 研發技術;制造技術;發展方向

1技術發展現狀

固井裝備的作用是在特定的高壓情況下，將設定密度的泥漿以一定速率向井底泵入要求的體積。先進的固井裝備是提高固井質量的重要保證。固井技術的發展，對固井裝備提出了更高的要求，主要表現在：要求固井裝備具備高壓力、大排量，能實現水泥漿密度的精確控制，減少固井作業過程中產生的氣泡對水泥固化后機體的割裂，提高固井質量，保證固井的可靠性。

國外生產固井裝備的國家以美國、加拿大為主，在油田固井裝備制造技術方面，美國企業處于世界領先地位[1,2]。目前，哈里伯頓(Halliburton)、斯倫貝謝(Schlumberger)、TEM公司(Tulsa Equipment Manufacturing, Inc.)、BJ公司等大型油服公司引導著固井裝備的發展，在關鍵專利技術等方面占有絕對領先地位。同時，他們利用裝備配套全，現場經驗豐富和數據詳實等優勢，著力打造為用戶提供整體化解決方案，并相應設計出了動態模擬和設計軟件，能夠全程模擬鉆井和固井過程，從而科學的進行質量評估并進行改進。

圖1　GJC35-16型固井車

圖2　GJC50-30雙機雙泵固井車

20世紀80年代初以前，我國的固井裝備主要依賴進口，400型水泥車是使用最廣泛的固井裝備，從羅馬尼亞進口量最大，有些至今仍在服役。90年代以來，隨著國產配備有高能混合裝置的二次混漿固井裝備GJC35-16單機單泵固井車(圖1)和GJC50-30雙機雙泵固井車(圖2)的研制成功，不僅逐漸取代了400型水泥車而成為主流機型，而且使我國油田對進口裝備的依賴程度大幅度降低。大功率、高壓力、大排量、具有計算機控制自動混漿功能的GJC40-17單機單泵固井車和GJC70-25、GJC100-30雙機雙泵固井車的研制成功并在國內油田的廣泛使用，標志著我國固井裝備的研制水平已經進入到國際先進行列。國內固井裝備經過30多年的發展, 從初期全部裝備進口到關鍵技術引進,逐步建立了相對成型的技術研發團隊和良好的固井研發平臺，形成了產、學、研、用一體化的技術支撐體系。

現階段，國外油服公司固井裝備在國內的市場份額逐年減小，國產裝備正在全面替代進口產品。生產廠家以中石化石油機械股份有限公司第四機械廠和四機賽瓦為主，生產具有自動混漿功能的雙機雙泵和單機單泵固井設備、拖掛式固井設備、撬裝固井設備及批量混漿設備，壓力范圍從35～140MPa，排量范圍從1300～4200L/min，年生產能力在300臺套以上，在滿足國內需求的基礎上，每年大約有數十臺套的裝備出口。

2需求分析

圖3　斯倫貝謝深水固井撬

圖4　泡沫水泥固井裝備

隨著勘探程度的不斷深入，以往地理條件較好地區的油氣開采難度加大，常規油氣田的發現也在逐漸減少，新發現油田的規模總體呈變小趨勢，而新增儲量越來越多地來自深水、極地等開采難度更大的地區，國內固井裝備實現可持續發展，需從以下幾個方面進行突破:

1)深水固井作業。與常規固井相比，深水固井(特別是表層段)常面臨低溫、淺層水一氣流動、松軟地層、異常高壓砂層等問題，以及水泥漿密度低、密度“窗口”窄、井眼環空間隙大、井眼不規則、頂替效率差等因素的影響[3～5]。為解決這些問題，常使用超大功率固井設備，利用超低密度泡沫固井封隔地層，提高固井質量，有資料顯示斯倫貝謝(Schlumberger)在墨西哥灣深水區域注水泥漿固井作業時，已經在使用單撬水(圖3)功率在3450hp(1hp=0.735kW)固井設備，水泥漿最低密度在0.9g/ml左右。目前，深水鉆井在國內已經起步，泡沫固井[6,7](圖4)和大功率固井裝備(圖5)的研制已迫在眉睫。

2)頁巖氣開發固井。我國頁巖氣開發正處于快速發展階段，頁巖含泥質較多，具有易膨脹、易破碎的特點，固井作業過程中，漿柱產生的正壓差要比鉆井過程中的壓差大得多，且要求水泥漿返至地面，封固段長，頂替后期易出現漏失[8～10]。為降低漿柱正壓差，避免漏失，使用超低密度水泥漿進行固井作業勢在必行。

圖5　SGJ1000-35型大功率固井車

同時，封固段長的特點導致頁巖氣固井對大功率固井泵的需求增加，如涪陵頁巖氣長封固段固井作業壓力一般在20～30MPa，同時排量要求在1.2～1.8m3/min，這種工況下固井泵的水功率要在900hp左右，現有固井泵已經不能滿足要求，需開發大功率固井裝備。

圖6　沙漠固井車

圖7　低溫固井車

圖8　小型化固井車

3)高壓鹽層氣井固井。在川東北地區的河壩、元壩和通南巴區塊、塔里木油田的庫車等區域，由于鹽層發育，存在氣層壓力高、溫度高、氣竄危險性大等特點，固井作業時為保持井眼壓力平衡，井內液注壓力必須始終與地層壓力保持平衡，或略高于地層壓力，因此時常需要注入密度大于2.7g/ml的水泥漿，而現有的固井裝備混漿密度范圍僅在1～2.7g/ml，一旦密度超過2～7g/ml，動力分配和控制系統都存在問題，高壓井作業日益增加，開發適應高密度作業的固井裝備非常有必要。

4)極端環境固井。隨著世界油氣資源易開發區域的逐步減少以及技術的發展，使得深海、雨林、孤島、北極圈極寒區(工作溫度-60℃)、沼澤灘涂區、沙漠極熱區(工作溫度+55℃)等難勘探開發區域的作業日益增多。針對這些區域開發出具有極低溫防護、小型化、模塊化、極端路況等特點的固井裝備(圖6、圖7、圖8)顯得尤為必要和迫切。

5)枯竭氣藏儲氣庫井固井。儲氣庫工程是我國戰略儲備的重大舉措，枯竭油氣藏儲層存在高孔、高滲、壓力虧空嚴重等問題,在儲氣庫的各項工程作業中，固井質量與儲氣庫的壽命及長期安全運行緊密相關，井筒注采密封性是保證儲氣庫壽命及安全運行的關鍵。儲氣庫井對一次固井質量要求高，對井筒密封性(管串、水泥環)要求高[11,12]。固井作業要求套管全程封固,特別是生產套管,既要保證儲層井段的固井質量,又要將水泥返至井口，因此對固井裝備的穩定性、可靠性和功率儲備提出了新的要求，有必要加強儲氣庫固井裝備專業化的研發。

6)復雜天然氣井及酸性氣藏固井。隨著天然氣井勘探開發工作的不斷深入，井下地質環境也越來越復雜，固井后環空帶壓問題也越來越突出，如川渝地區、塔里木油田、松遼盆地深層天然氣、土庫曼斯坦的阿姆河右岸氣田等[13,14]。H2S和CO2氣體容易產生壓力波動，另外儲層高含硫化氫等酸性介質，對固井裝備及工具具有腐蝕作用。因此，需解決固井裝備泵送時壓力波動和主要部件的耐腐蝕問題。

3新型固井裝備發展方向

1)更高的自動化、智能化水平。固井自動化包括固井裝備的自動化和井下固井作業的自動化，前者主要指成套固井裝備在接口、通信、操控系統和指揮調度系統的自動化[15,16]，后者主要指井下固井信息采集及反饋、監控的自動化。

建立固井專家數據庫和技術軟件平臺系統(圖9)，通過實時采集、遠程傳輸、數據管理、故障診斷和反饋執行，實現各裝備間協同作業的智能化控制新模式。

更高的自動化、智能化水平，可減少人工、提高作業精確性，并提高生產的安全系數。隨著計算機、通訊及網絡技術的廣泛應用，智能化固井作業正在逐步成為現實，對于人類足跡無法到達的極端環境區域，“無人值守”固井智能化作業成為新的需求[17,18]。因此不斷提高固井裝備自動化、智能化水平是固井作業裝備發展的必然趨勢。

圖9　固井裝備遠程智能化控制指揮平臺

2)更大功率注水泥裝備。由于超深井及復雜地層固井作業出現的頻次越來越多[19,20]，尤其是深水固井作業以及超高壓氣井作業對固井作業時高壓力、大排量、長時間、持續不間斷作業需要，將助推大功率或者超大功率注水泥裝備功率的快速發展。

采用1500～2000hp大功率柴油機或電機驅動的傳動模式，總儲備功率達到2000～3000hp的功能集成模塊，將逐步取代現有的單機或雙機固井設備。

3)更寬的固井水泥漿密度范圍。為了降低固井環空水泥漿段的液柱壓力，以便解決低壓易漏油層固井漏失時，需要通過人工制泡、漂珠等方式設法降低泥漿的密度；或者解決高壓力氣井氣竄危險性大等難題時，不斷通過提高泥漿密度的方法來平衡地層壓力。

現有固井裝備制備水泥漿密度的范圍為1～2.7g/ml，已經不能完全滿足現代化固井作業的需求，因此，拓寬固井水泥漿密度范圍，開發適應高密度、低密度作業的固井裝備非常有必要。

4結語

1)經過近年來的技術攻關，國內在固井裝備核心技術方面取得了較大突破，已形成了產、學、研、用一體化研發體系，裝備制造方面具備系列化、多樣化、規?；兄颇芰?。

2)油氣勘探的不斷深入及難度加大，為固井裝備新技術的開發應用及高端固井裝備的研制提供了平臺。

3)隨著新技術及新工藝的應用，固井裝備正朝著自動化、智能化、大功率、寬密度控制及型式多樣化方向發展。

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[編輯]洪云飛

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)01-0065-05

[中圖分類號]TE925

[作者簡介]李哲(1981-)，男,工程師，現主要從事固壓裝備設計方面的研究工作；E-mail:13972151151@163.com。

[收稿日期]2015-10-27

[引著格式]李哲.現代固井裝備發展概述[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(1)：65～69.