打好中國固井人的“泡沫”硬仗
——記中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院泡沫固井技術研究創新團隊

衛婷婷

自19世紀打下第一口探井以來，龐大的石油產業鏈逐漸形成，人類走入石油時代。如今，衣食住行，樣樣難離石油，從西方到東方，無不為石油合縱連橫、明爭暗斗，石油已經成為各國博弈的重要籌碼、世界經濟的命脈。

固井，被稱為石油工程的“臨門一腳”，是銜接鉆井和采油的關鍵環節。鉆井完成后，固井人就登場了。他們向井內下套管，并向套管和井眼的環形空間內注入水泥，形成封隔油、氣、水等地層，穩定井壁的水泥環。固井作業直接影響到油氣井能否繼續鉆進、能否順利生產、油氣井壽命以及油氣藏的采收率。

這是一項成本高昂、影響因素多、隱蔽性作業，可控難度大，一旦失敗就難以補救的石油工藝，其中提高水泥環膠結質量一直是廣大固井人追求的目標。近年來，隨著油氣資源勘探開發逐步轉向深層、致密油氣藏、非常規及老油田挖潛，勘探開發的對象更加復雜。同時，水平井鉆井和分段壓裂工藝技術的廣泛應用，對油氣井固井提出了更高的要求。如何確保水泥環長期密封完整性已經成為實現油氣安全高效開發亟待攻克的關鍵技術難題。

團隊成員參加2018年中國國際石油石化技術裝備展覽會（IPPE）產品創新金獎頒獎儀式

泡沫固井水泥漿技術是以機械發泡或化學發泡方式使氣泡均勻分散在水泥漿中的先進固井技術，具有密度低、彈塑性、膨脹性等特點，具有固井防漏、防竄、提高水泥環密封完整性等獨特的優勢，被稱為固井的“萬能水泥漿”。然而，由于含有大量可壓縮的氮氣，泡沫水泥漿在制備、評價、設計、試驗、現場施工工藝等方面均有別于常規水泥漿，面臨一系列技術挑戰。激烈的石油競爭下，掌握核心技術的美國哈里伯頓等國外公司又對亞太地區實行了技術封鎖。內外交困中，中國石油人決定自己闖！2009年，為了為滿足中國石化油氣勘探開發對先進固井技術的迫切需求，中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院組建了泡沫固井技術研究創新團隊，在國內率先展開了泡沫水泥漿固井技術研究。

十年堅持，打破國外技術壟斷

2009年，項目開始之初，擺在泡沫固井技術研究創新團隊面前的是四大挑戰：一是高效耐溫泡沫水泥漿助劑及體系研發難度大；二是缺乏高溫高壓泡沫水泥漿評價手段與方法；三是氣液固三相均勻混合難度大，國內現場裝備尚屬空白；四是泡沫水泥漿固井工藝特殊，缺乏設計軟件與評價方法。摸著石頭過河，所有人都頂著壓力在往前推進。

“我們的第一個項目并不成熟，沒成功。”團隊負責人丁士東平靜語氣中流露出克制的歉疚，“做到一半，發現技術路線有問題，在實驗室可以實現的結果，在現場實現不了。”氣氛低迷，陰霾籠罩，團隊三番兩次地開會，聚在一起討論接下來該怎么走。多次研討論證之后，丁士東果斷決定，全部推翻，再找一條路！

第一個4年里盡管繞了許多彎路，但在理論體系、評價方法上，卻取得了很好的成果。在此基礎上，2013年到2015年的3年時間，團隊破釜沉舟，直接在四川省達州市建了一個實驗基地，將實驗室的設備全部搬到前線基地，整個團隊20多人一口井一口井地試，輪流值守，最終通過反復試驗，攻破了從實驗室到現場的難關。

針對泡沫水泥漿可壓縮性，團隊在室內設計研制出系列泡沫水泥實驗測試儀器，開發出高性能的發泡劑、穩泡劑，形成了低密度泡沫水泥漿體系，可滿足低壓易漏井防漏與頁巖氣井大型壓裂對水泥環密封的需求。針對當時國內尚未有泡沫水泥漿高壓固井設備的局面，團隊利用先進的氣體混合工藝，設計研制出具有自主知識產權的泡沫水泥漿高壓混配系統SCF-I，一舉打破了國外石油公司的技術壟斷，解決了低壓泡沫難以混配均勻的難題。現場與液氮泵車聯合作業，在國內首次實現泡沫水泥漿密度實時監控。

2015年教師節，對于泡沫固井技術研究創新團隊來說是個難忘的日子。經過為期3周的緊張準備，團隊打造的泡沫水泥漿高壓混配系統SCF-I成功完成了國內頁巖氣區塊首口泡沫水泥漿固井應用。現場固井質量優良，填補了國內泡沫水泥漿高壓固井裝備研制與應用空白。由此，團隊榮獲2016年度中國石化石油工程技術研究院“重要貢獻獎”。

此后兩年間，為了進一步降低作業成本，實現固井作業一體化，泡沫固井技術研究創新團隊利用先進的超低溫液氮蒸發自控技術和獨特的高壓氣體多級混合工藝，自主研發出大型固井裝備——“液氮泡沫水泥漿固井自動化裝備Sinopec Foam System”。Sinopec Foam System不僅占地面積小、蒸發效率高、混泡效果好，還擁有先進的一體化自動控制系統。它實現了泡沫水泥漿固井技術的一體化、小型化、自動化，可滿足國內低壓易漏井、頁巖氣井固井的廣泛需求。

泡沫固定技術研究創新團隊合影

2018年3月27日，第十八屆中國國際石油石化技術裝備展覽會在北京順義中國國際展覽中心新館開幕，泡沫固井技術研究創新團隊研發的“液氮泡沫水泥漿固井自動化裝備”從來自全球65個國家和地區的1800家展商的近萬種產品中脫穎而出，被評為第七屆“CIPPE展品創新金獎”。作為全球最大石油展的最高獎，CIPPE展品創新金獎素有石油石化裝備“奧斯卡”的美譽。此次獲獎意味著，泡沫固井技術研究創新團隊的技術成果已經走在了世界前列。他們用近十年的拼搏，走完了國外40年的道路。

柳暗花明，迎來成果爆發期

2018年到2021年，經過十余年的科技攻關，泡沫固井技術研究創新團隊逐漸迎來了成果全面爆發期。

在低密高強抗高溫彈性泡沫水泥漿體系上，團隊基于增溶與置換的界面吸附原理，利用協同復配工藝，發明了高效發泡劑SF-1，發泡時間小于15s，發泡倍數大于25，發泡能力提升了1倍，解決了常規發泡劑發泡效率低的難題。團隊基于納米吸附與增粘穩泡作用機理，利用納米球磨分散工藝，創新引入納米二氧化硅乳液，開發了高溫穩泡劑SW-1：耐溫可達到150℃，突破了國外產品115℃最高耐溫的極限。團隊創建了低密、高強、彈性抗高溫泡沫水泥漿體系，泡沫水泥漿密度范圍0.7～1.6g/cm，抗溫能力達150℃，沉降密度差±0.02g/cm，API失水小于50ml、抗壓強度大于14MPa，稠化過渡時間短（≤3min），滿足了6500m深井與150℃高溫井固井需求。泡沫水泥漿具有可壓縮性，持續補償水泥漿膠凝失重，實現了高壓氣井壓穩防竄技術突破。泡沫水泥石彈性模量2～6GPa，較常規水泥石降低40%以上，韌性提高30%，為保障大型分段壓裂水泥環密封完整性提供了新的技術手段。

在高溫高壓泡沫水泥漿評價儀器及方法上，團隊基于氣體噴射與高速攪拌，發明了充氮泡沫水泥漿高壓制備儀器；基于高精度位移測量技術，發明了高溫（150℃）高壓（21MPa）泡沫水泥漿密度測量儀器；基于交變應力載荷，研制了全尺寸高壓（70MPa）泡沫水泥環密封完整性評價儀器。基于發明的評價儀器，團隊建立了高溫高壓條件下泡沫水泥漿密度、失水和抗壓強度等性能試驗方法，彌補了國際標準《API10426-4:泡沫水泥漿常壓制備及評價方法》的不足。此外，團隊采用核磁共振和納米CT量化技術，建立了泡沫水泥石微觀結構演化及評價方法，動載條件下泡孔結構具有彈性變形，孔徑變化量小，殘余應變較常規水泥石降低60%，水泥環密封能力顯著提高。基于研發的全尺寸井筒模擬實驗裝置，揭示了模擬大型分段壓裂條件下水泥石彈性參數與水泥環密封完整性的關系。常規水泥石在70MPa下3次就發生密封失效，泡沫水泥石在70MPa與30次交變應力作用下仍能保持密封完整性。

在高效泡沫發生器及注氮泡沫一體化固井裝備上，團隊發明了氣液固三相泡沫發生器及高壓混配系統，耐壓40MPa、排量0.5～2.5m/min、地面最低密度0.20g/cm，解決了高壓、高速條件下泡沫水泥漿均勻混合的關鍵技術難題。團隊研制的翅片-高壓盤管式高效率液氮蒸發器和小型液氮快速增壓汽化系統，具有蒸發效率高、換熱快的優點，額定蒸發能力3680m/h，額定工作壓力40MPa，突破了低溫、低壓液氮快速轉化為常溫、高壓氮氣的關鍵技術難題。團隊開發的泡沫水泥漿固井實時監控系統，實現了液氮排量、蒸發氣量、發泡劑和穩泡劑排量在線實時自動化控制，泡沫水泥漿密度控制誤差±0.03g/cm。團隊發明的世界首臺高壓氮氣制備、高效混合、自動化控制等一體化注液氮泡沫水泥漿固井裝備，解決了泡沫水泥漿現場固井設備協調難度大、成本高和控制精度低等關鍵技術難題。

在復雜油氣井泡沫固井設計方法及現場技術上，團隊創建了泡沫水泥漿密度隨井深變化模型，創新提出了恒氣量、恒密度等泡沫水泥漿固井工藝，開發了泡沫水泥漿固井優化設計軟件，實現了泡沫固井施工參數精準設計，填補了國內空白；基于計算流體動力學（CFD）流體氣液兩相混合模型建立了偏心環空泡沫水泥漿頂替模型，揭示了泡沫水泥漿頂替流動規律，泡沫水泥漿實現類似“活塞式”推進，減少水泥漿指進現象，提高窄邊頂替效率；創新形成低壓防漏與高壓防竄泡沫水泥漿固井工藝技術，解決了頁巖氣、致密油氣與東部老油田漏失、氣竄與水竄、水泥環密封失效等重大固井技術難題；創建了泡沫水泥漿固井作業規程等。團隊研發了泡沫水泥石聲學特征測試裝置，建立了泡沫水泥漿全尺寸模擬井群，在國內率先開展了低密度泡沫水泥石聲波響應實驗，基于蘭姆波衰減模型，建立了泡沫水泥漿固井相對聲幅修正方法，創建了泡沫水泥漿固井聲幅測井第一界面評價標準。

迄今為止，復雜油氣井泡沫固井技術創新及工業化應用在耐溫性、裝備一體化與現場應用指標達到國際領先水平，評價方法為國內外首創。相關成果獲得國內外同行高度贊譽。油氣鉆探與開采專家高德利院士稱，該成果打破了國外技術壟斷，可謂油氣工程技術自主創新的典范。俄羅斯國家教授尼古拉耶夫（Nikolayev）稱，中國石化在泡沫水泥漿固井技術方面取得了優異的成績，在泡沫應用溫度與井深方面走到了世界前列。美國石油學會（API）標準主席斯科特·薩維爾（Scott Saville）直言，這是開創性成果，特別是研制的泡沫水泥漿評價儀器和評價方法彌補了國際標準ISO10426-4的不足。

如今，相關成果已經獲授權發明專利26件，在泡沫助劑、評價儀器、固井裝備、工藝技術等核心領域完成了專利布局。團隊主持制定了國家標準2項，認定中石化專有技術2項，出版專著2部，登記軟件著作權2項，發表《科學引文索引》（SCI）、《工程索引》（EI）及核心期刊論文20余篇。

技術擴散，推動中國固井技術發展

當初，泡沫固井技術研究創新團隊為了打破壟斷而開始研發新的固井技術，如今，站在山巔，團隊也面臨著兩條路：一條路是步國外后塵，繼續搞技術壟斷，在國內一家獨大；一條路是大力推廣應用，進行技術擴散，帶領同行一起發展。這一回，丁士東帶領團隊毫不猶豫地選擇了后者。“我們投入泡沫水泥漿技術研發的初衷就是為了打破壟斷。如今推廣泡沫水泥漿技術，一方面是要解決復雜油氣井固井重大技術難題，支撐油氣高效勘探與效益開發；另一方面是想帶動國內同行發展，提升中國固井行業水平，推動中國固井技術走向世界。”

截至2021年10月，泡沫固井技術研究創新團隊在中石化、中石油頁巖油氣、致密油氣藏等推廣應用200余口井，最深6455m，最高溫度150℃，最低井下密度0.7g/cm，固井優良率93.5%，解決了固井漏失、氣竄、水泥環密封失效等重大技術難題，掀起了泡沫水泥漿固井技術熱潮，支撐了復雜油氣藏高效勘探開發。

在重慶涪陵與平橋等區頁巖氣井，通過推廣應用泡沫水泥漿固井技術，單井節約承壓堵漏作業時間14天，創造了最長水平段3583m的紀錄，固井質量優良率93%，環空帶壓率為零，滿足了大型分段壓裂需求，支撐了頁巖油氣勘探開發。在中石化龍鳳山氣田、鄂爾多斯和中石油蘇里格氣田等致密油氣田，應用泡沫水泥漿固井技術的85口井，固井質量合格率達到100%，單井節約周期14天以上。在勝利油田薄互層，應用泡沫水泥漿固井技術不僅提高了高壓水竄小層膠結質量，還實現了多壓力系統下2m薄互層的有效封隔，泡沫水泥漿固井技術大大支撐了東部老油田勘探開發。在塔河油田TH121149等稠油井中，泡沫水泥漿固井技術成功應用，泡沫水泥石導熱性能較常規水泥石降低80%，井口溫度較常規水泥石提高11.4℃，滿足了塔河油田稠油經濟高效開發的需求。在川渝地區淺表層破碎帶漏失掉塊卡鉆導致無法正常鉆進，已有十余口被迫棄井重鉆，已成為區域頁巖油氣勘探開發的“攔路虎”。泡沫固井技術研究創新團隊采用泡沫水泥漿固結井壁與封堵縫洞，一次性解決了該井連續40多天由于垮塌、掉塊無法鉆進的重大技術難題。

如今，泡沫水泥漿固井技術已經成為解決復雜油氣井固井技術難題的利器，它的應用提高了固井質量、簡化了完井程序、縮短了完井周期，創造直接經濟效益超過10億元，經濟效益顯著。團隊榮獲第十八屆CIPPE國際石油技術裝備展唯一創新金獎的設備核心專利技術已經許可四機賽瓦公司商業化制造,并入選國家《首臺（套）重大技術裝備推廣應用指導目錄》，帶動了石油石化行業的高附加值技術服務與高端裝備制造。目前，泡沫水泥漿技術在國內固井市場占有率為100%，已經成為國內唯一、全球第二家全面掌握該核心技術的單位，其研究成果打破了國外技術壟斷，引領了固井技術發展；提升了高端固井技術與裝備水平，使我國低密度固井技術走在世界前列。經過權威部門組織的院士、專家鑒定認為該成果居國際領先水平。“復雜油氣井泡沫固井技術創新及工業化應用”榮獲2021年度中國石油和化學工業聯合會技術發明獎一等獎，“一種泡沫水泥漿固井設備及方法”（專利號：ZL201710840995.6）榮獲技術發明專利金獎。

瞄準目標，在協作與創新中走向未來

當被問及“是什么支撐泡沫固井技術研究創新團隊走到了今天”這一問題時，團隊負責人丁士東總結道：“是好基礎、持之以恒的堅持、穩定的團隊和創新思維。”

2009年，丁士東組建泡沫固井技術研究創新團隊之時，也正是他從中石化勘探院德州石油鉆井研究所來到中石化石油工程技術研究院固井完井研究所任職之際。無論是勘探院還是研究院，都是國內相關領域的佼佼者。依托優良的資源和人才隊伍基礎，泡沫固井技術研究創新團隊這支新生隊伍在銳意創新中，逐步迎來了自己的發展。其間荊棘遍地，他們依然堅持不懈。并且自2009年組建至今，團隊人員基本穩定在20人。

泡沫固井技術研究創新團隊是2019年度“中石化集團公司優秀創新團隊”，團隊負責人丁士東獲國家科技進步獎一等獎1項，省部級科技獎勵特等獎1項、一等獎7項，出版專著2部，授權發明專利30多件，主持起草國家標準1項、行業標準3項，發表論文70余篇，并于2013年入選“國家百千萬人才工程”，獲授“國家級突出貢獻中青年專家”。泡沫水泥漿技術的成功，讓團隊中走出了一個又一個固井專家，其中2人獲得國家政府特殊津貼，9人獲得副高級職稱，2人獲得“閔恩澤青年科技人才”榮譽。

目前團隊成員包括：周仕明、陶謙、肖京男、初永濤、張晉凱、魏浩光、劉建、劉仍光、桑來玉、楊紅歧、劉偉、高元、陳雷、曾敏、方春飛、杜曉雨、張林海、吳海燕、吳金平。團隊中除了有長期鉆研固井技術的人才，還有來自軟件設計、助劑研發、固井工藝、測井評價等研究領域的高級工程師或專家。在長期的團結協作、優勢互補中，團隊逐漸發展為競爭有力的科技創新團隊。未來，泡沫固井技術研究創新團隊將持續加強技術研發，強化技術應用，全力打造世界領先水平的泡沫水泥漿固井技術體系。