保持油气井井筒完整性良好是油气安全高效开发的基础。受井下高温高压、酸性流体、大规模分段压裂、油气开采等诸多因素影响，井筒密封完整性极易遭受破坏，导致层间窜流、井口带压，甚至引发井喷等井下复杂情况，井筒密封完整性控制技术面临巨大挑战^[1]。准确掌握生产过程中井筒密封完整性演化数据与失效风险节点，对于保持井筒密封完整性、提高油气开发效益意义重大^[2]。然而，油气开发面临“三高”（高温、高压、高酸性）、“三复杂”（复杂流体、复杂岩性、复杂应力）等严峻的地质环境^[3–9]，传统测井技术难以满足井筒全生命周期完整性原位监测、地层温度场应力场扰动监测、储层产能评估等需求。随着大数据、云计算等数字技术的快速发展，各领域信息化、数字化和智能化已是大势所趋，实现井筒、地层信息感知与数字技术的高效融合势在必行，但面临着监测数据更加繁杂、多元、精度参差不齐、智能化处理程度不足等问题^[10–12]。为此，国内外开展了将数智技术用于井筒密封完整性监测的研究，以井筒原位感知技术为主要突破口，以油井套管与水泥环为主要监测介质，以“多维信息智能感知、数据实时传送、监测信息精准翻译、海量数据高效分析、全生命周期智能决策”为技术路线，构建数字化井筒，实现井筒密封完整性信息感知与数字技术的高效融合。笔者总结了国内外固井井筒感知技术的主要技术进展，分析了存在的主要问题，并对关键技术进行了发展展望、提出了发展建议，以推动构建智能井筒，提升井筒完整性监测理论体系与控制工艺。

1.   主要研究进展

目前，固井井筒感知技术主要在声波监测技术、分布式光纤传感监测技术、智能水泥浆体系和井下永久测试装置等方面取得了一些进展。

1.1   声波监测技术

目前，固井质量评价主要采用基于声幅测井原理发展而来的水泥胶结测井（CBL）、声幅/变密度测井（CBL/VDL）和扇区水泥胶结测井（SBT）等，以及后续发展的声波、超声波监测技术。

国外，1971年开发了CBL−VDL测井仪器，用于评价固井质量，后陆续研发应用了SBT、CET、CAST−V等测井仪器。2007年，Schlumberger公司研制的Isolation Scanner仪器（IBC）开始商业化应用，2017年又推出了PowerFlex和PowerEcho仪器。该系列仪器将脉冲回波测量和弯曲型兰姆波测量相结合，不仅可以同时采集脉冲回波和弯曲型兰姆波数据，还可进行VDL模式测量，采集0.91 m（3 ft）和1.52 m（5 ft）全波波列数据，不仅可以分析套管腐蚀状况、套管半径、套管厚度、套管外介质声阻抗等，还可获取弯曲型兰姆波衰减，实现二界面反射波成像，对套外介质状态（液体、气体和固体等）进行精准判断。超声兰姆波测井仪器克服了传统固井质量评价仪器的缺点，实现全密度水泥浆胶结质量评价，从而更精确分析井筒完整性^[13–16]。

国内，2000年，江汉油田测井研究所开发出多参数超声工程测井仪（MUST），实现固井二界面胶结质量成像；2008年，中海油服研制了衰减率型水泥胶结测井仪（CBMT），可以评价一界面水泥胶结质量；2011年，中海油服开发了超声成像测井仪（MUIL），实现了套损检测；2012年前后，中国石油大学（北京）研制了方位固井质量测井仪器（AABT），实现了一界面和二界面水泥胶结质量的评价、水泥浆条状窜槽和地层性质评价；2018年前后，中海油服研制出超声兰姆波成像测井仪（UCCS）^[17–18]。2023年，中国石化石油工程技术研究院研制出超声兰姆波扫描成像测井仪工程样机（CBUI），可识别套管外介质类型、环空窜槽，确定水泥浆胶结情况，分析套管居中度及水泥环厚度，检测套管腐蚀情况。

1.2   分布式光纤传感监测技术

近年来，人们尝试采用套管外铠装光纤的方式，进行井下温度场、应力场、渗流场、水力压裂裂缝展布等关键信息的实时监测，具有长距离、高灵敏度、高空间分辨率、无源、抗电磁干扰等显著优势，可以满足油气井生产监测需求。

国内外研究人员主要聚焦于信噪比增强、探测距离扩展、事件采样率提高及工程应用，研发了系列光纤传感监测系统并进行了现场试验。Optasense公司研制了ODH−DAS系统，并在Quest油井进行了地震探测、流体监测等试验；Silixa公司研发了iDAS系统，通过监测后向散射光获取声信号，并在多口油井进行了应用；Halliburton公司研制的DAS监测和数据分析系统，将井筒模型和近井筒模型耦合，可对DAS监测数据精细化处理分析；Schlumberger公司研制的hDAS监测系统，通过将光纤夹持于套管上进行监测，现场试验验证了其可操作性及高效性^[19]。国内开展分布式光纤传感监测技术研究较晚，但发展速度很快^[20–22]。光谷互连公司与华中科技大学合作，开发了兼容普通单模光纤和离散散射增强光纤两种模式的DAS设备^[23]，可满足高性能或高性价比的不同需求；中国石油东方地球物理公司与电子科技大学合作开发了uDAS系统，采用具有连续纵向微结构的光纤，并利用相干光时域反射技术和差分传感机制对光纤信号进行处理，实现信号信噪比增强，在地质勘探、管道安全检测、隧道结构监测及异物入侵等众多领域进行了应用；中国地质科学院和北京大学联合研发了True−phase DAS监测系统，利用多波长与外差解调技术，提高了事件采样率、增加了传感距离^[24]。中国石化石油工程技术研究院研制了井下水泥环密封性光纤传感室内测试装置（见图1），初步构建了室内监测核心装置与配套工艺，实现了水泥环密封完整性全生命周期连续监测，为理论完善及技术攻关提供了试验手段。

图  1  井下水泥环密封性光纤传感室内测试装置

Figure  1.  Indoor test device for sealing property of downhole cement sheath on optical fiber sensor

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1.3   智能水泥浆体系

近年来，国内外科研人员以“声学响应和电学响应”水泥浆体系为研究重点，致力于将水泥环转变成“传感器”，以提升井筒密封完整性监测与整体感知能力，并取得一系列成果。

声学响应水泥浆体系以Shell公司研发的新型智能水泥浆体系为代表^[25]，可以基于传统测井仪器获取更加全面、精确的井筒完整性数据，是一种实用的井筒完整性智能感知方法。该体系将环氧树脂、聚氨酯等特制材料作为声波带隙滤波器和对比剂添加到低密度或泡沫水泥浆中，固化后形成声学响应材料，通过材料组分设计，使其水泥粒子亚结构能够产生局部共振、并在一定频率范围内反射声波。现场测试结果表明，相比于常规水泥浆体系，该智能水泥浆体系在特定频率下的声学阻抗要高得多，声波能量衰减增加，提高了水泥环侵入流体的分辨能力，并解决了泡沫水泥浆低阻抗对比度差的难题。

相比于声学响应水泥浆体系，电学响应水泥浆体系对水泥环应力、应变和损伤更加敏感，且支持全生命周期井筒完整性监测，主要以自感知水泥浆体系为代表^[26–27]。自感知水泥浆体系是指力学或温度特性与电学特征存在一定响应关系的水泥浆。经30余年发展，目前自感知水泥浆体系耐温60 ℃、流动度8～15 cm、应变灵敏度500～800，可识别出27 Hz左右的基频。该水泥浆体系具有温压变化敏感性强、应力电压信号响应精度高和力学性能好等优势^[28–29]，但主要应用于建筑领域，无法直接应用于油气井固井。为此，中国石化石油工程技术研究院基于电磁变压原理，克服传统接触式电极易受外部环境干扰的难题，研制了小型水泥浆导电性能原位测试装置，可为全尺寸测试仪器展布与调整提供精准标定，能测试水泥浆全生命周期电阻率。在此基础上，通过升级窜流测试仪器，研制了大尺寸水泥浆“液−电”性能原位测试装置（见图2），可模拟井下高温、高压、窜流等复杂工况，耐温100 ℃、耐压70 MPa。同时，开发了耐温100 ℃、密度1.88～2.00 kg/L的自感知水泥浆体系，流动度大于20 cm，48 h抗压强度大于20 MPa，应变灵敏度大于700，可精准监控水泥浆早期窜流（如图3所示），但需要进一步研发配套的评价方法与预测模型。

图  2  大尺寸水泥浆液−电性能测试装置示意

Figure  2.  Large-size “liquid-electric” performance test device of cement slurry

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图  3  窜流前后的自感知水泥浆电阻率试验结果

Figure  3.  Test results of electrical resistivity on self-perception cement slurry before and after channeling

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1.4   井下永久测试装置

井下永久测试装置以“压敏传感器+电缆”的电子系统为主流，如Baker Hughes公司的Incharge智能监测系统，Welldynamics公司的ROC系列永久监测计，加拿大先锋石油科技公司的PPS28系列永久监测装置，Weatherford公司电子石英计，Omega公司的石英压力计等^[30–31]。

2023年，中国石化石油工程技术研究院研制了固井水泥环井下智能监测原理样机（见图4），其温度、压力、光纤和电阻率高精度传感器采用周向螺旋式展布，采用智能监测数据传输的电磁感应式充电与数据传输系统，磁性导线线圈发射电压24 V，无线充电电池充电率0.2～1.0 C，无线信号传输频率2 400 MHz，无线装置耐温100 ℃。

图  4  固井水泥环井下智能监测原理样机

Figure  4.  Prototype of downhole intelligent monitoring principle of cementing cement sheath

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2.   存在的主要问题

目前，虽然声波测井、光纤测试、智能水泥浆与井下原位测试装置等固井质量监测方法取得了长足进步，但因自身设计特点制约，在多耦合场环境下工作性能欠佳，普遍具有精度较低、寿命偏短、反应迟缓、稳定性差和适应性弱等局限，难以满足复杂油气井长期监测的实际需求。

2.1   声波监测技术

传统声波测井技术只能在固井作业结束后进行测量，检测结果只能提供某一时刻固井质量的“快照”，无法反映井筒完整性失效起始和发展的连续过程，尤其是对油气井长期生产过程中发生的井筒完整性失效问题，难以及时发现和诊断并进行长期监测。因此，需要结合智能水泥浆体系，套管柱几何形态与声学相应关系的试验验证，建立基于测井数据的密封完整性预测模型，研制更加精细、长效的声波监测技术，以快速评价固井质量、分析井筒完整性和评估套管损伤，为后续作业提供决策依据。

2.2   分布式光纤传感技术

分布式光纤传感技术在井筒全生命周期实时监测中的可行性与优异性已经得到了验证，但目前还不具备推广应用的条件，主要存在以下局限：1）大型物模试验装置无法完全模拟井下环境，评价分析方法亟待改善，数据的解释分析智能化程度不足，精度有待持续提高；2）光纤在高温、高压、极端腐蚀性、大斜度井和套管变形条件下展布成功率低，性能和寿命可能受到限制，适用性有限；3）油气井后期射孔改造易对光纤造成损坏，如何避免光纤在射孔时不被破坏是保证实现全井段、全生命周期监测的关键；4）光纤监测技术与微地震、广域电磁法、井下温度/压力监测技术的联合应用还缺乏深入研究。

2.3   智能水泥浆体系

自感知水泥浆体系的研究仍处于起步阶段，需要进一步研选或开发感知材料，使其在不影响水泥浆和水泥石性能的情况下提高感知精度。同时，还需要针对自感知水泥浆对应力、温度、流体等的响应关系开展大量的试验，并研发合适的试验装置。

2.4   井下永久测试装置

井下永久测试装置在以下几个方面存在不足：1）需要升级复杂工况下固井水泥环原位、精准、长效监测装置，电子元器件耐温应不低于100 ℃；2）需要完善套管柱与水泥环的关键参数监测、表征与评价方法，提升数据感知与评价精度；3）还缺乏地层孔隙介质流−固−热−化多场精准表征方法，智能预测模型局限于井周，尺度需要放大；4）需要深入探索多井协同工作、评价模式。

3.   关键理论与技术展望及发展建议

为实现井筒完整性全生命周期生产信息监测与风险评价，迫切需要以固井水泥环和套管为载体，形成隔套管全屏障系统的近井筒智能监测技术，全面精确监控井筒、水泥环和油气藏生产动态，推动井筒完整性理论体系与控制工艺进步，构建智能井筒。

3.1   声波监测技术

声波监测技术需要以套管柱健康监测为重点，以兰姆波声波测井技术为基础，主要从套管壁厚、几何外形变化等与声波测量数据之间的规律开展研究，并提高算法精度，开展3D图形输出研究，实现360°三维可视化高精度管柱健康图谱的构建。

受制于仪器结构特点及换能器性能，目前超声兰姆波扫描成像仪器还无法满足水平井、高温小井眼、套内无介质等情况下的水泥浆胶结质量评价需要。为此，需要开展以下技术攻关：1）优化仪器结构，使其可以在水平井眼中保持居中旋转状态，从而满足水平井的测量需求；2）缩小换能器尺寸，提高换能器耐温耐压性能，研发抗高温小井眼测量仪器，适应深层、超深层高温小井眼的测井需要；3）基于电磁超声换能器，研发新一代准横波扫描成像测井仪，以适用于全密度水泥浆，且不受井筒介质（甚至是空气）和偏心的影响，满足大斜度井和水平井等不同井型的测井需求。

3.2   分布式光纤传感监测技术

分布式光纤传感监测技术需要在室内测试装置研制、井筒密封完整性关键参数表征、监测与评价方法构建等方面持续攻关。1）结合现有全尺寸井筒密封完整性物理模拟装置，开展光纤传感室内测试装置方案设计，形成光纤传感系统优化方案，开展数据采集与数据传输系统设计，完成传感器结构研选；2）研究井筒密封完整性失效识别方法及井筒密封性能参数提取方法，明确温度、压力、应变、油气运移等数据与光纤信号的映射关系，分析密封失效特征、传感器布设等对监测信号的扰动规律，优化完善密封性能关键参数表征方法；3）基于大量室内监测试验数据，建立水泥环光纤传感智能评价模型，形成复杂环境/复杂工况下井筒全生命周期的密封完整性动态预测方法；4）编制光纤传感数据解释软件，配套高性能硬件；5）完善光纤装配与下入工艺，提升光纤随套管下入速率与成功率。

3.3   智能水泥浆体系

受声波响应水泥浆体系的时效限制，智能水泥浆体系应重点攻关电学响应水泥浆体系，在装置研制、材料研选、信号分析和模型构建等方面持续攻关。1）优化多尺度紧密堆积模型，获取适用于井下工况的水泥浆应力电学参数响应阈值，建立兼顾流动度、沉降稳定性、抗缓凝剂吸附、机械强度与导电灵敏度的体系设计图版；2）通过正交试验，结合微观结构、功能组分和宏观力学分析，开展碳纤维、石墨、纳米二氧化钛和碳纳米管等自感知材料对水泥浆流动性、稠化性与应力电学响应性能的影响机制研究，优选自感知水泥浆关键材料，并研选矿物掺合料（铁粉、铁矿粉）；3）建立固井自感知水泥浆体系的液−电本构关系，根据水泥浆液−固态宏观液柱压力与电信号演化数据，研究不同环境中水泥石孔隙微观结构演化规律，分析高压流体对水泥浆导电性能的影响机制，明确电信号关键参数与流体性质（液态、气态、气液混合）、窜流流量、窜流程度的对应关系，构建窜流评价快速识别图版；4）建立自感知水泥浆体系的力−电本构关系，根据水泥石微裂缝/微孔隙演化、应力与电信号的演化数据，研究不同加载环境下水泥石微观结构演化规律，分析压实与损伤程度对水泥石导电性能的影响机制，揭示水泥石电信号演化机制，建立复杂动载损伤试验表征方法，明确电信号关键参数与载荷幅值、加载频率、加载方式的对应关系，构建水泥石动载损伤快速识别图版；5）形成水泥浆液−固态全生命周期风险评价方法，并引入智能修正算法，建立基于实验大数据的“电信号−初始窜流流量”和“电信号−损伤劣化”等量化预测模型；6）对水泥环侵入流体（油、气、水）进行识别和监测，根据电信号的变化判断储层流体的变化，结合油藏工程手段，使水泥环成为地层评价最直接的传感器，其可靠性和精确性也将大幅度提高，真正建成既能进行井筒健康管理、又能进行地层评价的原位智能井筒。

3.4   井下永久测试装置

在井下永久测试装置方面，需要研制适用于不同地质工况的井下智能监测原理样机，可与电缆、连续油管、采油管串配合使用，实现近井筒多参数原位、长效、动态监测。同时，还需要构建一套水泥环全生命周期监测与评价方法，以水泥环为载体，精确监测近井筒套管变形、水泥石演化、地层流体侵入等关键变化，实现生产风险精准预测。为此，需开展一系列攻关研究：1）开展水泥环参数表征方法研究，建立地层孔隙介质流−固−热−化多场精准表征方法，研究多参数耦合影响机制；2）研选长效耐温100～150 ℃的水泥环智能监测传感器，建立多参数传感器敏感性分析与展布方案优化方法，保证井下长效运行；3）有效融合光纤、电缆、自感知水泥浆等技术优点，搭建井下测试有机整体与测试平台，开展室内综合测试与现场先导试验。

4.   结束语

水泥环全生命周期保持密封是实现油气高效勘探和效益开发的关键，采用数智技术赋能井筒密封完整性风险监测已成为固井工程的重要发展方向，通过交叉学科实现固井工程向井筒和井周智能监测的方向延伸，构建智能井筒，将会在油气勘探开发中发挥重要作用。因此，需要持续加强基础理论创新、关键技术创新和产学研一体化应用，通过构建数字化井筒，利用水泥环直接接触地层的优势，进行全生命周期井筒健康监测，同时感知水力压裂振动、油气水变化、温度压力变化等地层信息，为油气高效开发提供指导。

致谢：论文撰写过程中，中石化石油工程技术研究院有限公司谢关宝、杜晓雨和李贺等同志在资料收集方面提供了大量帮助，在此表示感谢！