2024 年度四川省科学技术发明奖提名项目公示

一、项目名称

极端环境下油气井固井材料关键技术与应用

二、提名者及提名意见

四川省教育厅， 同意推荐。

三、项目简介

2023 年中国石油对外依存度达到 73.6%，为了保障能源安全，需加强国内自 主供给。中国非常规、深层油气资源丰富，达到中国油气资源总量的 34%。《国 家中长期科学与技术发展规划纲要(20**-2035)》提出将“复杂地质油气资源勘探 开发利用”，加快深层油气勘探开发已成为国家重要的油气发展战略。

目前， 我国 8000m 级深井钻井技术体系基本形成， 钻深能力迈上 9000m 台阶。随着井深的增加，面临层位多、多压力系统、压力窗口窄、高陡构造、巨 厚砾石层、复合盐膏层等复杂地质条件，高温、高压、高地应力、含强腐蚀流体 等极端井筒环境， 给深井固井带来一系列世界级难题。

为了保持井筒稳定和地层–套管环空长效密封，通过注水泥固井封隔油、气、 水层。固井水泥环质量直接影响钻井安全、工程成本、油气井寿命甚至油气开采 效率。一旦固井水泥环密封完整性失效， 严重的会导致井喷、井漏等安全事故， 造成重大经济损失。而当前非常规、深层油气资源开发过程中的极端环境，使固 井水泥石面临以下严峻挑战：①在稠油资源开采过程中，固井水泥石需承受超过 300 ℃的高温，极端高温易导致水泥石力学性能劣化，层间封隔失效；②页岩油 气开采广泛采用“水平井+大规模分段体积压裂”开发方式，压裂作业压力高（压 裂压力 60~100 MPa）、次数多，压力变化产生极端载荷致使固井水泥石极易发生 损伤； ③在酸性油气藏资源开发以及 CO2 封存过程中（CO2 分压大于 40MPa）， 酸性介质与高温、高压耦合形成极端腐蚀环境，致使固井水泥环完整性极易破坏； ④油气勘探开发不断向深部地层迈进，钻井液在井底高温（＞240℃) 和高压(> 150MPa）环境下与水泥浆不相容问题严重危及固井施工安全。

本项目针对以上极端环境下的固井工程技术难题，揭示了核心理论与机理，

发明了模拟井筒多环境因素耦合的固井水泥环力学性能评价装置，创新研发了关 键的水泥基材和与之配套的外加剂， 形成了服役于极端环境下的固井材料体系， 并规模化应用。取得了多项极端环境下油气井固井材料关键技术的重大突破，保 障了井筒水泥环密封完整性，对我国安全高效开发非常规、深层油气资源提供了 重要的固井材料技术支撑， 保障了我国油气资源增储上产。

本项目取得的主要创新成果包括：

1、发明了稠油热采井固井用新型耐高温水泥体系并应用， 实现稠油资源高效开 发

针对稠油热采井极端高温环境， 发明了以铝酸盐水泥熟料为基础的新型耐 高温水泥及与之配套的外加剂， 形成了适用于稠油热采极端高温环境的新型耐 高温水泥浆体系并在油田现场应用， 实现了稠油资源高效开发。

2、发明了页岩油气井固井用内源型增韧水泥体系并应用， 助力页岩油气勘探 开发

针对深层页岩油气资源开采的极端载荷工况，揭示了铁铝酸四钙增韧基元的 原位增强增韧机制，发明了高铁相原位增韧水泥，形成了适用于页岩油气井极端 载荷工况下的原位增韧水泥浆体系，并在页岩气田进行了规模化应用，助力页岩 油气勘探开发。

3、发明了固井用抗腐蚀与自修复水泥体系并应用，保障了酸性油气藏的安全开 发和 CO2 封存井的长期安全封存

针对极端酸性腐蚀环境，揭示了酸性气体对水泥石的腐蚀机理，发明了酸性 气体腐蚀-应力耦合作用下水泥环力学完整性与裂缝自修复评价装置， 发明了适 用于高含酸性介质极端腐蚀环境下的抗腐蚀与自修复水泥浆体系并在现场应用， 保障了酸性油气资源勘探开发与 CO2 地质封存利用。

4、发明了适用于高温高压深井的高效隔离液体系并应用， 保障了固井安全施工

在深井高温、高压、高腐蚀极端环境下，固井水泥浆与钻井液化学不相容性 是一个世界级难题。本项目揭示了深井水泥浆与钻井液化学不相容机理，发明了 高效隔离液悬浮稳定剂、抗污染剂等核心外加剂，建立了高效隔离液体系，有效

解决了极端环境下深井固井水泥浆与钻井液化学不相容性问题，保障了固井安全 施工。

项目获授权发明专利 65 件， 专著 1 件， 发表高水平论文 81 篇。项目成果 已在国内外油气田规模应用，共计 209 井次。该成果应用后累计新增利润

***** 万元， 为我国非常规、深层油气资源的安全高效开采做出了巨大贡献， 经济、社会效益显著。

四、主要知识产权目录

五、主要论文目录

六、主要完成人

程小伟、马勇、张春梅、李成全、梅开元、李明泽、卢甲晗

七、完成单位