深層超深層復雜油氣井固井理論與技術

本書根據作者近年來在深層超深層固井方面的研究成果，全面論述了復雜工況下水泥環密封失效機理、套管損壞機理及控制方法。全書包括固井水泥石力學特性演化規律、周期動載下水泥環密封失效機理與控制方法、酸性環境下水泥環密封失效機理與控制方法、水泥環界面密封能力控制方法、復雜油氣井套管損壞控制方法、復雜油氣井環空水泥環持久密封新方法、提高復雜油氣井水泥膠結質量技術，以及研究成果的典型應用等內容。

在油氣井建井過程中，下套管注水泥固井是重要的一環，固井質量嚴重影響著鉆井安全和油氣井壽命。隨著勘探開發向深地進軍，油氣井溫度壓力越來越高、井下工況日趨復雜，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，環空氣竄、井口帶壓、套管擠毀等現象越來越嚴重，固井對這些復雜事件的“貢獻”越來越大，作者更加認識到固井的重要性。井筒水泥環完整性是保障油氣井長期安全運行的關鍵，一次成功的固井作業不僅需要水泥漿頂替到位、膠結良好，還要求水泥環在油氣井中性能穩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生了井噴爆炸和原油泄漏事故，之后油氣行業對固井作業的特殊性、重要性高度重視，已從油氣井安全及壽命角度來認識和要求固井工程。

傳統固井技術只注重水泥漿稠化時間、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，基礎研究存在嚴重不足，已不適應復雜油氣井固井要求。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全過程性能變化，即水泥漿“三態”：注水泥時的液態、頂替到位后的膠態和固結后的固態，協調控制水泥漿流變性能、水泥石物化性能和水泥石力學性能(稱為水泥漿“三元控制”)，以滿足高溫、高壓、強沖擊、強腐蝕等復雜環境下的固井要求，保證井筒水泥環的完整性，實現油氣井水泥環長效密封。

研究認為，為確保井筒水泥環完整性及套管與地層之間長效密封，亟須研究水泥石力學、物化演變規律。從2010年開始我們帶領團隊開始揭示固井水泥膠結力化耦合機理，研究水泥漿“三元控制”方法，完善固井技術關鍵基礎理論。在眾多難題中，作者抓住以下幾個關鍵問題：一是復雜油氣井水泥環力學性能變化規律、循環動載和高酸性環境下水泥環密封失效機理不清；二是水泥材料與體系的設計缺乏理論依據，水泥環易腐蝕、耐沖擊能力差；三是固井參數設計不精準，水泥漿頂替效率低、膠結質量差；四是復雜工況下套管變形、損壞控制方法缺乏。針對這些問題，圍繞“防竄、防腐、防損傷，保持井筒水泥環完整性”技術目標開展攻關，解決復雜工況下套管-水泥環失效機理及控制這一關鍵科學問題，形成復雜油氣井水泥環完整性控制方法。

▲巖心界面密封能力測試裝置

▲固井第二界面水化產物微觀結構模型

▲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力分析模型

作者在探索中前行，創制了國內外首臺全尺寸水泥環完整性評價裝置，提出了實驗評價方法，系統研究了水泥石力學規律和損傷機理。研究中作者發現了很多過去未發現的現象，如在模擬頁巖氣井分段壓裂水泥密封失效實驗時，加卸載實驗發現了水泥石殘余應變；在模擬界面密封失效實驗時，發現界面存在大量水溶性氫氧化鈣晶體；在模擬水泥石力學實驗時，發現彈性模量是影響脆性開裂和變形的關鍵等。作者揭示了存在這些現象的原因，建立了水泥石力學本構方程，提出了控制方法，明確了水泥添加劑和水泥漿體系的構建方向。理論的突破帶動了水泥漿添加劑的快速發展，作者研發了一批高溫材料、自修復材料、納米材料、智能材料等高性能添加劑，實現了防竄、防腐、防損傷水泥漿體系迭代升級，形成了提高固井質量工藝技術方法。該成果在順北超深油氣田、元壩酸性氣田、川渝頁巖氣田規模應用，有效解決了固井關鍵技術難題。

目錄（左右滑動）

深層超深層復雜油氣井固井理論與技術

曾義金 周仕明 等 編著

北京: 科學出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084891-8

責任編輯：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特性演化規律，分析了溫壓及周期交變載荷下水泥石力學響應特征，建立了細觀損傷塑性本構模型，由郭印同、王磊執筆；

• 第2章闡釋了周期動載下水泥環密封失效機理與控制方法，提出了水泥環防損傷性能控制準則與力學設計圖版，由陶謙、劉仍光執筆；

• 第3章研究了CO2 和H2S 酸性環境下水泥環密封失效機理與控制方法，提出了水泥環防腐蝕性能控制準則，由周仕明執筆；

• 第4章明確了地層水侵蝕劣化水泥環界面機制，提出了提高界面膠結強度的技術措施，由陸沛青執筆；

• 第5章揭示了鹽膏層、酸性氣和頁巖氣三種環境下套管損傷機理，提出了套管材質優選準則與設計方法，由曾義金、劉奎執筆；

• 第6章介紹了提升水泥石物性力學性能的新材料，防氣竄致密型、防損傷自修復型、防腐增強型水泥漿體系等，由魏浩光、李小江執筆；

• 第7章介紹了提高固井質量的新方法，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用，由楊廣國、桑來玉、高元、初永濤執筆。

本書得到中石化石油工程技術研究院有限公司、中國科學院武漢巖土力學研究所、中國石油大學 ( 北京 ) 有關人員的大力支持，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《深層超深層復雜油氣井固井理 論與 技術 》（ 曾義金 周仕明 等 編著 . 北京 : 科學出版社 , 2026. 3 ）一書“前言”和“緒論”， 有刪減修改，標題為 編者所加。

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