一、背景与需求

目前，高温、高压等技术瓶颈的不断突破推动了国内油气勘探开发向高质量发展转型，如何高效环保地开发非常规（页岩、致密砂岩）、深层、特深层油气藏是全球绿色低碳转型大潮中的研究热点。同时，勘探开发对象日益复杂，水平井分段体积压裂等新技术不断发展，对固井质量和密封完整性提出了更加严苛的要求。

在钻井的过程中通常会遇到低压高渗地层、漏失层、浅表裂缝性地层，容易造成系列严重的井漏、井涌等钻井事故，使用欠平衡钻井、空气钻井、空气/雾化钻井、空气/泡沫钻井等一系列实用性很强的钻井技术，能够有效的解决此类地层的钻进问题。然而后续的固井施工上，如果仍然采用常规油井水泥进行封堵、固井施工，往往会造成水泥浆严重漏失、返深不够等固井事故，使得固井质量得不到保证，很难满足后续的油气射孔、酸压、增产及采油气等施工作业，由此迫切需要对此类地层固井施工中的水泥浆漏失、返深不够等问题进行研究。近年来，在国外较成功的做法是采用充气的泡沫水泥浆进行封堵或者固井施工。

泡沫水泥浆是一种在水泥浆中充入气体(N₂或空气)并加入辅助添加剂而形成的一种含有“小气泡”的稳定水泥浆体系，具有滤失量低、隔热性能好、稳定性好、稠化时间易于控制等优点，并具有低污染和一定堵漏性能。“小气泡”水泥浆的突出优点是在较低密度下，仍能保持较高的强度。南川页岩气茅口组浅层气活跃，大石1HF井固井前火焰高度有时达10米以上，常规的分级固井与尾管固井承压堵漏周期长，为固井作业带来极大的风险，如何治理浅层气是保障页岩气井安全勘探生产的关键。采用低密度泡沫水泥浆固井可有效解决低压易漏井和长封固段井的固井难题，提高固井质量和井筒稳定性。龙凤山气田作为东北油气分公司增储上产的主要阵地，属于典型的裂缝性储层，“上塌下漏”等问题突出，漏失比例高，井底温度超120℃。据统计，北213中基性火山岩14口井中有11口井存在漏失，固井前仅处理承压堵漏就损失周期平均达14天。迄今为止，未见泡沫水泥浆超120℃固井施工的报道先例，“小气泡”如何抗温，泡沫水泥浆在120℃以上的高温稳定性是公认的世界级难题。

二、突破与创新

针对中国石化高温深井固井漏失与承压堵漏周期长、不耐高温等技术难题，工程院泡沫固井技术创新团队依托国家项目、中国石化科技部项目和北京市项目的持续攻关，突破了泡沫水泥浆高温稳定性世界级难题，研制了抗高温泡沫水泥浆体系；提出了不提承压长封固段泡沫水泥浆固井方法，避免了承压堵漏作业；形成了具有自主知识产权的高温深井泡沫水泥浆固井工艺技术，保证了一次性注泡沫水泥浆返出地面，简化了钻完井程序，在泡沫水泥浆体系耐温性、装备一体化与现场应用指标方面达到国际领先水平，助力中国石化成为国内首家、全球第二家全面掌握该核心技术的单位。

2020年疫情期间，工程院泡沫固井技术创新团队响应“百日攻坚创效”行动号召，坚守在一线，在中国石化东北油气分公司推广应用超25井次，提质、增效成绩显著。其中在北5井，泡沫水泥浆固井一次性封固井最深5530m，温度最高150℃，固井优良率90%以上；在北210-1井与腰平21井，相继创下1.10g/cm³和0.70g/cm³中国石化固井最低密度记录，累计节约钻完井周期300余天，节省费用超5000万元，为“四提工作”做出了突出贡献，有力支撑了中国石化重点区域高效勘探和效益开发。

面对南川页岩气茅口组钻井液安全密度窗口窄、气层活跃、点火等高风险作业，泡沫固井技术创新团队提出了“微泡沫水泥浆防窜与动态控压压稳”的固井新工艺，控制熄灭了火焰，成功实现了压稳气层，保证了水泥浆正常返出，保障了大石1-1HF等一系列浅层气井井筒密封与安全生产。

十年磨一剑，2020年工程院泡沫水泥浆固井技术与装备已走到了世界前列，国内泡沫水泥浆固井市场占有率100%，自主研发的注氮泡沫一体化设备成功实现技术许可，授权四机赛瓦石油钻采设备有限公司商业化制造，为我国泡沫固井装备与技术商业化揭开了新的篇章。

三、发展与展望

深层、特深层和非常规领域将是未来油气勘探开发的主要战场，固井防漏与防窜对泡沫水泥浆固井的需求量必将日益增大。“十四五”期间，工程院将强化技术引领，加大高温深井固井技术攻关，推动我国固井技术与装备向数字化和智能化转型；同时，向稠油热采井、干热岩井保温固井等领域进军，“小气泡解决大问题”，助力世界领先研究院建设，为中国石化打造世界领先洁净能源化工公司做出新的更大的贡献！