深層超深層復(fù)雜油氣井固井理論與技術(shù)

本書根據(jù)作者近年來在深層超深層固井方面的研究成果，全面論述了復(fù)雜工況下水泥環(huán)密封失效機(jī)理、套管損壞機(jī)理及控制方法。全書包括固井水泥石力學(xué)特性演化規(guī)律、周期動載下水泥環(huán)密封失效機(jī)理與控制方法、酸性環(huán)境下水泥環(huán)密封失效機(jī)理與控制方法、水泥環(huán)界面密封能力控制方法、復(fù)雜油氣井套管損壞控制方法、復(fù)雜油氣井環(huán)空水泥環(huán)持久密封新方法、提高復(fù)雜油氣井水泥膠結(jié)質(zhì)量技術(shù)，以及研究成果的典型應(yīng)用等內(nèi)容。

在油氣井建井過程中，下套管注水泥固井是重要的一環(huán)，固井質(zhì)量嚴(yán)重影響著鉆井安全和油氣井壽命。隨著勘探開發(fā)向深地進(jìn)軍，油氣井溫度壓力越來越高、井下工況日趨復(fù)雜，特別是隨著順北超深油氣田、元壩酸性氣田及川渝頁巖氣田的開發(fā)，環(huán)空氣竄、井口帶壓、套管擠毀等現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，固井對這些復(fù)雜事件的“貢獻(xiàn)”越來越大，作者更加認(rèn)識到固井的重要性。井筒水泥環(huán)完整性是保障油氣井長期安全運(yùn)行的關(guān)鍵，一次成功的固井作業(yè)不僅需要水泥漿頂替到位、膠結(jié)良好，還要求水泥環(huán)在油氣井中性能穩(wěn)定并具有維持層間封隔的能力。2010年，墨西哥灣深海地平線鉆井平臺因固井失敗發(fā)生了井噴爆炸和原油泄漏事故，之后油氣行業(yè)對固井作業(yè)的特殊性、重要性高度重視，已從油氣井安全及壽命角度來認(rèn)識和要求固井工程。

傳統(tǒng)固井技術(shù)只注重水泥漿稠化時(shí)間、流變性能和水泥漿頂替到位，而忽視了水泥漿凝固后性能變化對井筒密封造成的影響，基礎(chǔ)研究存在嚴(yán)重不足，已不適應(yīng)復(fù)雜油氣井固井要求。為此，作者首次提出了固井水泥漿全生命周期這一理念，通過研究水泥漿液固態(tài)全過程性能變化，即水泥漿“三態(tài)”：注水泥時(shí)的液態(tài)、頂替到位后的膠態(tài)和固結(jié)后的固態(tài)，協(xié)調(diào)控制水泥漿流變性能、水泥石物化性能和水泥石力學(xué)性能(稱為水泥漿“三元控制”)，以滿足高溫、高壓、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)腐蝕等復(fù)雜環(huán)境下的固井要求，保證井筒水泥環(huán)的完整性，實(shí)現(xiàn)油氣井水泥環(huán)長效密封。

研究認(rèn)為，為確保井筒水泥環(huán)完整性及套管與地層之間長效密封，亟須研究水泥石力學(xué)、物化演變規(guī)律。從2010年開始我們帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始揭示固井水泥膠結(jié)力化耦合機(jī)理，研究水泥漿“三元控制”方法，完善固井技術(shù)關(guān)鍵基礎(chǔ)理論。在眾多難題中，作者抓住以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：一是復(fù)雜油氣井水泥環(huán)力學(xué)性能變化規(guī)律、循環(huán)動載和高酸性環(huán)境下水泥環(huán)密封失效機(jī)理不清；二是水泥材料與體系的設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)，水泥環(huán)易腐蝕、耐沖擊能力差；三是固井參數(shù)設(shè)計(jì)不精準(zhǔn)，水泥漿頂替效率低、膠結(jié)質(zhì)量差；四是復(fù)雜工況下套管變形、損壞控制方法缺乏。針對這些問題，圍繞“防竄、防腐、防損傷，保持井筒水泥環(huán)完整性”技術(shù)目標(biāo)開展攻關(guān)，解決復(fù)雜工況下套管-水泥環(huán)失效機(jī)理及控制這一關(guān)鍵科學(xué)問題，形成復(fù)雜油氣井水泥環(huán)完整性控制方法。

▲巖心界面密封能力測試裝置

▲固井第二界面水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)模型

▲頁巖氣井壓裂液激活天然裂縫類型示意圖

▲不同固井工藝施工過程中井筒應(yīng)力分析模型

作者在探索中前行，創(chuàng)制了國內(nèi)外首臺全尺寸水泥環(huán)完整性評價(jià)裝置，提出了實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法，系統(tǒng)研究了水泥石力學(xué)規(guī)律和損傷機(jī)理。研究中作者發(fā)現(xiàn)了很多過去未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，如在模擬頁巖氣井分段壓裂水泥密封失效實(shí)驗(yàn)時(shí)，加卸載實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了水泥石殘余應(yīng)變；在模擬界面密封失效實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)界面存在大量水溶性氫氧化鈣晶體；在模擬水泥石力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈性模量是影響脆性開裂和變形的關(guān)鍵等。作者揭示了存在這些現(xiàn)象的原因，建立了水泥石力學(xué)本構(gòu)方程，提出了控制方法，明確了水泥添加劑和水泥漿體系的構(gòu)建方向。理論的突破帶動了水泥漿添加劑的快速發(fā)展，作者研發(fā)了一批高溫材料、自修復(fù)材料、納米材料、智能材料等高性能添加劑，實(shí)現(xiàn)了防竄、防腐、防損傷水泥漿體系迭代升級，形成了提高固井質(zhì)量工藝技術(shù)方法。該成果在順北超深油氣田、元壩酸性氣田、川渝頁巖氣田規(guī)模應(yīng)用，有效解決了固井關(guān)鍵技術(shù)難題。

目錄（左右滑動）

深層超深層復(fù)雜油氣井固井理論與技術(shù)

曾義金 周仕明 等 編著

北京: 科學(xué)出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084891-8

責(zé)任編輯：吳凡潔 崔元春

全書共分7章：

• 第1章揭示了固井水泥石力學(xué)特性演化規(guī)律，分析了溫壓及周期交變載荷下水泥石力學(xué)響應(yīng)特征，建立了細(xì)觀損傷塑性本構(gòu)模型，由郭印同、王磊執(zhí)筆；

• 第2章闡釋了周期動載下水泥環(huán)密封失效機(jī)理與控制方法，提出了水泥環(huán)防損傷性能控制準(zhǔn)則與力學(xué)設(shè)計(jì)圖版，由陶謙、劉仍光執(zhí)筆；

• 第3章研究了CO2 和H2S 酸性環(huán)境下水泥環(huán)密封失效機(jī)理與控制方法，提出了水泥環(huán)防腐蝕性能控制準(zhǔn)則，由周仕明執(zhí)筆；

• 第4章明確了地層水侵蝕劣化水泥環(huán)界面機(jī)制，提出了提高界面膠結(jié)強(qiáng)度的技術(shù)措施，由陸沛青執(zhí)筆；

• 第5章揭示了鹽膏層、酸性氣和頁巖氣三種環(huán)境下套管損傷機(jī)理，提出了套管材質(zhì)優(yōu)選準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)方法，由曾義金、劉奎執(zhí)筆；

• 第6章介紹了提升水泥石物性力學(xué)性能的新材料，防氣竄致密型、防損傷自修復(fù)型、防腐增強(qiáng)型水泥漿體系等，由魏浩光、李小江執(zhí)筆；

• 第7章介紹了提高固井質(zhì)量的新方法，以及研究成果在頁巖氣井、高溫高壓油氣井、酸性氣井、儲氣庫井中的典型應(yīng)用，由楊廣國、桑來玉、高元、初永濤執(zhí)筆。

本書得到中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、中國石油大學(xué) ( 北京 ) 有關(guān)人員的大力支持，李根生院士為本書作序，在此一并表示衷心的感謝！

本文摘編自《深層超深層復(fù)雜油氣井固井理 論與 技術(shù) 》（ 曾義金 周仕明 等 編著 . 北京 : 科學(xué)出版社 , 2026. 3 ）一書“前言”和“緒論”， 有刪減修改，標(biāo)題為 編者所加。

地球?yàn)槟愣D(zhuǎn)！

歡迎關(guān)注：賽杰奧（sci_geo）

科學(xué)出版社地球科學(xué)訂閱號