利用水平井和孚盛砂 建立透油阻水筛 的 采油 方法 摘 要：大庆等油田经过多年开发，采出液含水高达 94%，但地下仍有 50%以上的原油无法开采。为了控制产液含水上升，通过砂覆膜技术，使普通砂具有增强水表面张力并破坏油表面张力的功能（即亲油憎水功能），从而使具有透油阻水功能的孚盛砂应运而生。但目前只是沿用传统技术，孚盛砂被直接用作油井压裂缝的支撑剂，采油过程中油层和井筒内的巨大压力差，使大量水透过孚盛砂缝隙被压入井筒并挤占油的流动空间，使其透油阻水功能荡然无存，产液含水仍居高不下；另外由于井筒附近压力梯度大而剩余油少，使放置在该区域的孚盛砂对远离油井的剩余油富集区作用小，不能提高油田最终采收率，其结果是只能加快井筒附近的采油速度。水平井技术虽然已是成熟的技术，但仅局限于直接采油，由于水平井怕水的缺点，使其不能在高含水主力油层获得应用。
为避免孚盛砂和水平井应用中存在的问题，设想出了水平井垂向压裂缝填注孚盛砂建立透油阻水筛的采油方法。该采油方法同时避免了孚盛砂和水平井各自的弱点，发扬了其各自的优点，可使其在高含水主力油层获得广泛应用，是未来采油技术的一场革命。
一、 水平井直接采油和 孚盛砂直接用作裂缝支撑剂存在的 不足 （ 一 ）
孚盛砂 应用面狭窄 大庆油田大部分剩余油分布在主力油层，这类油层因含水高、渗透率高而不能通过油井压裂等方法提高采收率。所以直接将孚盛砂作为压裂缝支撑剂的应用方法在主力油层就没有用武之地了。因此，要想拓展孚盛砂在主力油层的应用范围，大幅度地提高主力油层的采收率，就需要全新的应用方法。
（ 二 ）
孚盛砂 应用效果远未达到最佳状态 按目前传统方法，孚盛砂直接用作油井压裂缝的支撑剂，被放置
在油井高压力梯度（即冲刷强度高）、高含水区内，使其透油阻水功能几乎荡然无存，使其应用效果远未达到最佳状态。这可通过油井底部驱替压力差、压裂缝与剩余油在油层的分布形式两方法进行预测。
1、通过驱替压力预测。这可从下表试验记录中得到预测，在下表的油水混驱一栏中，当驱替压力从 0.025 MPa 增加到 0.048 MPa 后，过滤后液中油水体积比由 6：4 变化为 5.8：4.2。这一变化说明，随着驱替压力的升高，过滤后液中含水在上升，孚盛砂的选择性在降低。
表 1
5：5 油水混驱透过孚盛砂试验数据 驱替液 流速（mL/min）
驱替压力（Mpa）
滤后油水比例 水 5 0.033 / 10 0.052 / 油水同驱 5 5 0.025 油水体 积比 6 6 ：4 4 10 0.048 油水体积比 5.8 ：
4.2 油 5 0.11 / 10 0.023 / 而在油井实际生产过程中，抽油机上抽过程中油水混合液要在0.5MPa 以上的压力下进入油井，这个压力是试验压力的 10 倍。在如此高的压力下，进入井筒内部混合液的油水比例与井筒外部油水混合液的油水比例是相差无几的，使孚盛砂的选择性荡然无存，需要全新的使用方法来改变这种状况。
2、根据压裂缝与剩余油在油层的分布形式预测。在油层中，剩余油主要富集的压力梯度最小的区域内，一般在油水井中间和分流水线上。而在压力梯度大的区域内，因水流冲刷强度大，剩余油就最少、含水最高，一般在油水井筒附近区域。因最靠近井筒部位与井筒内部之间的压力梯度最大，所以大部分油井产液是透过最靠井筒部位的一小段孚盛砂（即压裂缝根部的孚盛砂）进入井筒，这部分产液含水高（主力油层高达 94%），它的进入挤占了远离井筒的剩余油富集区液体进入油井的空间（也就是井筒附近高含水混合液优先于远离井筒高含油混合液进入井筒），如下图 1 所示。
注水井 采油井 难于进入油井的裂缝端部石油（也是石油最富集的区域）
高含水混合液透过裂缝根部进入油井
图 图 1
孚盛砂压裂缝无法开采剩余油富集区石油示意图 这样的结果只能是用孚盛砂作支撑剂开采的多为井筒附近的高含水液体，而裂缝端部的剩余油富集区内石油受效甚微。因此，用该传统方法提高油层的最终采收率难度很大，只能是提高采油速度，迫切需要全新的应用方法来提高孚盛砂的应用效果。
按照《孙子兵法》，只有知道自己的优点和缺点，又知道敌方强弱虚实，按照避实击虚的作战原则，以己之长克敌之短，才能百战不殆。据此原理，孚盛砂应该避开井筒附近压力梯度大且剩余油少的区域，转而应该去攻击压力梯度小且剩余油多的区域，只有通过这种避实击虚的方法，才能充分发挥孚盛砂低压下严格的选择性优点，克服其高压漏水的缺点，将剩余油富集区内的石油全部采出。为此设想出了用孚盛砂建立透油阻水筛的采油方法。
（三）
水平井采油 怕水 的问题使其无法在高含水主力油层推广 正如垂直井直接采油存在层间矛盾一样，水平井直接采油存在着水平段上高含水区和剩余油富集区间的矛盾，这种矛盾作用的结果是水平井易被水淹，而剩余油无法开采。另外，由于水平井筒流动空间狭窄，如果水平井直接采油，容易进入水平井的高渗段来液很快就占满水平井筒的流动空间，并挤占油的流动空间。长达千米的水平井难免有高渗段，高渗段来液一旦占据水平井筒狭窄的流动空间，剩余油
再也无法进入水平井。因此，水平井长长的水平段和井筒狭窄流动空间的矛盾是水平井直接采油无法解决的问题，水平段越长，就意味着越容易遇到高渗段，使水平井更易被水淹，剩余油就越难采，这就使得水平井无法在高含水油层得到推广应用。我们仍然按照扬长避短的原则，在高含水油层中不用水平井采油，而用水平井堵水，充分利用其在油层中呈现水平状的特点，并为此设想出用水平井和孚盛砂在油层中建立透油阻水筛的采油方法（水平井注堵水剂也可建成挡水坝）。
二 、透油阻水筛 采油方法 简介
油田采用注水开发后，其采油方式是通过注水井注入的水（或聚合物水溶液、三元注入液等）来驱动原油进入采油井。但随着原油的采出，在采出原油的位置处形成了大量的走水通道，注入水沿着这些通道进入采油井，使油田采出液中的含水迅速上升、含油下降。目前综合含水已高达 94%，但地下仍有 50%以上的原油无法采出。
为了截断注入水在油层中的流动、增强油的流动性，降低出水量、增加出油量，我们可以在注水井和采油井中间的水平井垂向压裂缝内，用孚盛砂作支撑剂在油层中建立一道“透油阻水筛”来过滤油水混合物，使原油透过筛子流向油井，而水被阻挡在筛子的另一侧。该透油阻水筛将原油开采区分隔成注水区和采油区，如图 2 所示的单一油层内建立的透油阻水筛及生产过程横断面图，图 3 为多小油层内建立的透油阻水筛及生产过程横断面图，此时可恢复油田早期笼统注采的开采方式。
注水井 采油井 水平井垂直段 注水区 采油区 剩余油 被水挤过筛子的剩余油 压力梯度最大的区域 压力梯度最大的区域 注入水把油挤过筛面
图 图 2 2
单一主力油层内建立透油阻水筛及生产过程横断面图
图 图 3 3
多油层内建立透油阻水筛及生产过程横断面图
三 、透油阻水筛堵水效果预测 孚盛砂的性能和驱替压力（或液体通过的流量）决定了透油阻水筛的堵水效果。根据室内演示试验，水在驱替压力极低时是无法透过孚盛砂的，但随着驱替压力的升高，水分也会透过孚盛砂的缝隙。
而按本方法设计的透油阻水筛两侧压力差是极低的，其估算过程注水井 水平井垂直段 采油井 隔层 注水区 采油区 位于压力梯度最小区域内的透油阻水筛 水平井水平段 把油挤过筛面的水 被水挤过筛面的剩余油 压力梯度最大的区域 压力梯度最大的区域
如下：按油水井间距 200 米、油水井间压力差为 5Mpa 计算，则厚度为 1cm 的筛面两侧压力差为（1÷20000）×5=0.00025Mpa，其压力差仅相当于 2.5cm 高水柱压力，根据室内演示试验，水分在这样低的压力下是无法透过孚盛砂的，即达到滴水不漏的效果。与此相反，孚盛砂直接用作垂直井裂缝支撑剂时，其承受的液流压力差超过 0.5MPa，如此大的压力差，又在含水量最高的区域，使其透油阻水功能已不太明显。
另外，我们也可模拟实际生产情况，根据透过筛面液体的流量来判断其阻水效果。按水平段长 1000 米的水平井在厚 10 米的油层中建立了油水过滤筛计算，其过滤面积为 10000m 2 ；其注水区侧有 5 口注水井，每口井每天注水量为 60m 3 ；则每天有 5×60÷2=150m 3 的液体透 过 10000m 2 的 筛 面 ， 其 透 过 筛 面 的 平 均 厚 度 仅 为150÷10000=0.015m，即每天透过孚盛砂的液体厚度仅有 1.5cm。根据室内演示试验，如此低的液体流量只能是原油，不可能是水，所以用孚盛砂建立的透油阻水筛可使堵水效率达到 100%，即达到滴水不漏的效果。同样的估算可知，孚盛砂直接用于垂直油井压裂支撑剂时，每天透过1平方米孚盛砂的液体流量高达90m ，是过滤筛流量的6000倍。在如此高流量的冲刷下，又在最高含水区域内，使其透油阻水功能已不太明显。
四 、 如何在油层中建立 透油阻水筛 透油阻水筛在油层中的展布形状完全受水平井压裂缝的控制。为使筛子在油层中呈垂直于水流方向的铅垂面且使裂缝尽可能地加宽，水平井水平段须进行垂向密集射孔，而且水平段的走向要尽量与地层的水平最小地应力方向垂直，如图 4 所示。为了提高射孔密度、加宽裂缝宽度、减少裂缝长度，以达到要求的裂缝面尺寸（即筛面尺寸），也可以只进行向上或向下的单向射孔后压裂。
水平井垂向射孔压裂时，重力对裂缝启裂方向无影响，其开裂方向仅受水平地应力的影响。当水平段垂直于水平最小地应力时，可使裂缝面垂直于水流方向（也就是顺着水平井水平段方向），并使裂缝向下、向下垂向延伸；密集射孔后压裂可使各条裂缝贯通为一个裂缝面并使裂缝面尽可能加宽。如此这般就能够得到我们所需要的裂缝形状，注入孚盛砂后就得到了想要的透油阻水筛。
水平最小地应力 水平最大地应力
图 图 4 4 垂直于最小水平应力 水平 井 垂向射孔 压裂 建立 的 竖向裂缝 面
大庆油田大部分主力油层井网均采用五点法布设。根据大庆油田五点法井网布局，有如下四种水平井水平段布局可供选择。
1、 两种水平段斜向布局，在油层中建立透油阻水筛，如下图 5所示。这种方式不需注采系统调整，直接利用斜向水平井形成的过滤筛将油水井分隔开来。
北
西
东
南
水平井东北～西南向布局
水平井西北～东南方向布局 图 图 5 5
两种 斜向布 设 水平 井建立 过滤筛示意图 2、 水平段东西向（或南北向）布局，在油层中建立透油阻水筛，如下图 6 所示。这种方式需将五点法井网调整为行列井网，然后利用东西向（或南北向）水平段在油水井排间建立过滤筛。
北
西
东 注水井 采油井 水平井压裂填孚盛砂后形成过滤筛子 注水井 采油井 水平井压裂填孚盛垂向裂缝面内注入孚盛砂建立透油阻水筛 裂缝面长度可达 2800m
南
水平井南北方向布局
水平井东西方向布局 图 图 6 6
东西向 （或南北向）
布水平井建立的过滤筛示意图 在实际应用中，水平段选用哪一种走向的布设原则是尽量使水平段垂直于水平最小地应力方向，确保压裂缝满足布设筛面的要求。
五 、利用透油阻水筛采油的具体过程 若要利用透油阻水筛大规模地开采其两侧的剩余油，其开采过程可分为三个阶段：
第一阶段，如图 2 或图 3 所示，由于筛子两侧压力差的估算值仅有 0.00025MPa，在此低压下原油优先透过筛子，并聚积在筛子的采油区一侧，而水被截留在注水区并挤占原油空间。待注水区全部剩余油进入采油区后，由于没有原油通过筛子，则注水区内压力会陡然升高，并使水穿过筛子继续推动采油区内的石油进入采油井。
第二阶段，如图 7 所示，待采油区采出液含水上升到一定高度后，就没有进一步开采的价值，但采油区内仍有大量剩余油无法开采，此时应将原注水井改为采油井、原采油井改为注水井，也就是原采油区变为注水区、原注水区改为采油区，使原采油区剩余油反向透过筛子，并聚积在筛子的另一侧。
注水井改采油井 水平井垂直段 采油井改注水井 采油区 注水区 被水挤过筛子的剩余油 剩余油 把油挤过筛面的注入水
图 图 7 7
透油阻水筛采油的第二阶段示意图 第三阶段，如图 8 所示，原油反向透过筛子后，再将注水井停掉、而油井改为注水井且水平井改为采油井，使聚积在筛面的油在注水压力作用下透过压裂缝进入水平井并被采出。
上述注水区和采油区之间的转化过程，改变了液流通过筛子的方向，从而实现了筛子在油层中左右移动的效果，最终将其两侧剩余油过滤后采出，使采收率接近 100%。
再改为注水井 水平采油井 停产井 生产区 透油阻水筛 水平井水平段 过滤后剩余油 被水平井采出的石油 位于压力梯度最小区域内的透油阻水筛 水平井水平段 压力梯度最大的区域 压力梯度最大的区域
图 图 8 8
透油阻水筛采油的第三阶段示意图
六 、透油阻水筛采油 法相对于现有技术 的优 点 除油田注水开发外，目前大庆油田正开展大规模的聚合物驱采油，并正准备进行三元复合驱采油。但透油阻水筛采油法与这些现有技术相比具有采收率高、基建投资低、生产成本低、保护环境等诸多无法比拟的优点。
（一）采收率高。
目前，大庆油田水驱、聚合物驱、三元复合驱技术全部应用后，最高可使大庆油田的采收率突破 60%，而利用透油阻水筛可使采收率逼近 100%，具体有如下三方面的原因：
首先是孚盛砂堵水效率高。在建立透油阻水筛前，水驱时流过筛断面的液流中含油只有 6%，聚驱和三元复合驱仅能使流过筛断面液流含油升高到 20%；而用孚盛砂构建的透油阻水筛在低压差下具有超强的透油阻水选择性，可达到滴水不漏的效果，也就是可使流过筛断面的液流含水降低到 0%，含油升高到 100%。注入水全部被筛子阻挡在注水区并将原油驱离出注水区，而剩余油被水挤过筛子进入采油区。
其次是孚盛砂堵水时间长。聚合物驱和三元复合驱开采年限短，聚驱和三元驱时，随着原油的采出，在原油采出位置处留下更多的走水通道，使流过筛断面液流含水由 94%降低到 80%再回升到 94%仅需5 年时间，之后继续开发的价值就很小了；现有任何其它堵水方法也都存在着随着原油开采而走水通道逐步扩大的问题。而透油阻水筛是由高强度覆膜砂构成，其有效期是永久性的。油水同驱的情况下，油优先通过筛子，只要有原油通过筛面，压力差就不会升高，水就被彻底封堵。其筛面不会出现因部分原油的采出而走水通道扩大的问题，直到全部原油通过筛面后，水才会在陡然升高的压力下穿过筛子。
第三，可提高注水驱替效率。在建立油水过滤筛前，为避免注水井和采油井间的水窜影响，注水井必须在低于破裂压力条件下注水（或注聚合物溶液等）；油水过滤筛建立后，只要注水井压裂缝长度不超过筛面，就可进行超破裂压力注水，这样可大幅度地提高低渗区剩余油的驱替效果。
第四，透油阻水筛将孚盛砂展布在压力梯度最低的剩余油富集区内，在地层中实现最佳位置处堵水，可将富集区内的大部分剩余油采出。
目前，现有各种调剖堵水方法都不能在最佳位置处实现堵水，即不能在剩余油富集区内堵水。
（二）基建投资低。
目前，利用聚驱或三元复合驱开发 1km 2 的剩余油约需基建投资约 1.5 亿元（参考萨北开发区北三东西块二类油层弱碱三元复合驱工业性示范工程数据），工程内容包括新钻井、机杆泵、地面设施（包括管线、电力线、道路、配注站、油水分离处理站等）；而利用过滤筛采油，其工程内容只包括新钻水平井、水平井压裂后填孚盛砂，其余注水井和采油井均利用现有老井。水平段长 1000m 的水平井在垂向上建立上、下两条 5m 长的裂缝面，填砂后就可形成 1000×（5+5）=10000m 2 的筛子面。如果裂缝的平均宽度为 1cm，则每口水平井需填注 10000×0.01=100m 3 的孚盛砂。按水平井间距 200m 计算，每平方公里需 5 口，孚盛砂价格按 6000 元/m 3 计算，开发 1 平方公里需孚盛砂费用为 5×100×6000=300 万元，加上钻水平井和压裂费用，开发 1平方公里的总费用也不超过 5000 万元，只相当于聚驱或三元驱基建投资的三分之一。
（三）生产成本低。
过滤筛采油生产成本在以下几方面低于现有技术：
1、地下无需药剂成本。目前正在应用的聚合物驱油技术和将要推广应用的三元复合驱技术，仅药剂就使吨油成本增加 333 元左右，占原油销售价格的 6.5%。而透油阻水筛采油过程中，注入水中不需要任何药剂，降低了药剂成本，可使原油价格直降 6.5%左右。
2、地上油水分离成本明显降低。三元复合驱是在地下通过表面
活剂促进油水乳化融合后开采原油的，而采出的油水混合物在地上又要进行油水分离，在地上需通过加药破乳、加热电脱破乳过程促进油水分离，其地下油水融合过程（即乳化过程）和地上油水分离过程（即破乳过程）是完全相反的，这无疑增加了地上油水分离成本。而过滤筛采油在地下就进行了油水分离过程，其采出液不含任何影响地上油水分离破乳的药剂，其油水分离成本必然大幅度降低。
3、污水处理及回注成本大幅度降低。因透油阻水筛的堵水效率达 100%，该采油法可使产液含水大幅度下降，从而可进一步降低污水处理及污水回注的成本。目前大庆油田每年有 3 亿多立方米的污水需要处理并回注，其成本在总成本中占有很大的比例，油水过滤筛采油后，需要处理并回注的污水量将会大幅度下降，其成本也必然会大幅度降低。
4、避免了聚合物驱和三元复合驱在生产中的各项技术难题。聚合物驱油和三元复合驱油方法中，主要存在两大技术难题：（1）因采出液中含有大量药剂，对油田生产设施造成了严重的不良影响，主要表现在对油田设施的腐蚀、生产过程中的结垢、堵塞油层以及采出液出砂严重等诸多问题；（2）目前由于三元复合驱采出液中表活剂的存在，使油水分离和污水达标处理异常困难。这两大问题是三元复合驱十几年来不能全面推广的两个重要原因，并为其投入了大量的科研经费。而利用油水过滤筛采油法，因其采出液中不含任何腐蚀性、促结垢、促乳化的药剂，使油田设施腐蚀、结垢、堵塞油层、出砂、油水分离及污水处理等各项难题不攻自破。
5、减少了生产过程中油水井、站的维修成本。聚合物驱油和三元复合驱需要大规模地增加油水井数，新建大量站所，这些设施在生产过程中必然增加其维修维护成本。而油水过滤筛采油无需这些地面设施，也就不需要这些维修成本。
（四）保护环境 目前为了确保大庆 4000 万吨原油稳产，聚合物驱油和三元复合驱油技术均利用垂直井反复加密提高产量（ 如萨北开发区北三东西块二类油层弱碱三元复合驱工业性示范工程使每平方公里面积内增加油水井 55 口 ），其结果是每
年在大庆油田地上新建数千口油水井及大量配套设施，如配制注入站、污水处理站、管线、电线、道路等，这些油田设施使周边环境千疮百孔，管线、电线及道路等纵横交错，井、站等星罗棋布，严重地破坏了油田环境，建设投资和生产成本也随之大幅度上升，这两种技术是以牺牲环境为代价的掠夺式油田开发，必须尽快用更高效环保的技术加以代替。
而油水过滤采油法可使具有少井高产特性的水平井技术大面积地应用于高含水主力油层，仅 5 口长 1000 米的水平井与老井网结合，就可开采 1km 2 的石油，其新钻井密度不到三元复合驱的十分之一，实现了少井高产的效果，并大幅度地减少了地面设施的建设，保护了地面环境。另外，聚合物驱油和三元复合驱油对水质要求极高，各类药剂的生产加工、油田污水处理等均对环境产生很大的污染，而油水过滤筛采油法不需任何药剂，使这些污染环境的难题不攻自破，是一种绿色环保采油法。
七 、结束语 目前水平井钻井和分段定向射孔压裂技术已经成熟，具有透油阻水功能的孚盛砂也已研制成功，各类性能的堵水剂多种多样。通过水平井注堵水剂可在地下形成挡水坝，水平井压裂缝填孚盛砂可形成透油阻水筛，挡水坝可使注入水流深部转向，透油阻水筛不仅可使水流深部转向，更能使油水筛分后开采。有了挡水坝和透油阻水筛这两件利器，我们就可对注入水和剩余油开展围（水）、追（油）、堵（水）、截（水）工作，将地下全部剩余油逼出地面，使采收率接近 100%成为可能。
注：孚盛砂是北就仁创科技集团最新研制的一种具有透油阻水功能的砂子，其详细内容请用百度搜索“ 透油阻水的砂子” ” ，并有走进科学栏目的视频介绍 。
网址 内有具体的试验资料介绍。
作者简介：王胜存，男，1991 年毕业于内蒙古工学院，道路桥梁专业。现工作在大庆油田设计院总图道桥室，负责油田道路建设的规划工作。长期工作在油田，对石油的重要性深有感触，更对大量剩余油无法开采深感惋惜，并为此进行了长达 10 年的自学研究。现将主要研究成果汇聚在这篇论文中，并希望它起到抛砖引玉的作用，激发大家更多的创新灵感。更希望有条件的专业人员能够按该方法进行计算机数值模拟或室内物理模拟，以确定其可能的最终采收率。如果可行，请在生产上推广应用，确保国家石油安全。
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