國際石油公司頁巖氣開發(fā)技術(shù)策略分析與展望

蘇珊·史密斯·納什

(美國石油地質(zhì)學(xué)家協(xié)會教育和職業(yè)發(fā)展部，俄克拉荷馬塔爾薩 74119)

20世紀(jì)80年代到90年代，盡管受到石油工程技術(shù)的制約，但一些石油公司——如米歇爾(Mitchell)能源公司——仍然堅持在滲透率極低的細粒儲層(文中主要是指頁巖，但實際上包括細粒硅質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖)中進行油氣勘探開發(fā)探索。石油公司早期采用水平井開發(fā)頁巖氣，并在奧斯汀白堊層中進行了先導(dǎo)試驗。后來，該技術(shù)在沃斯堡(Fort Worth)盆地以北的巴奈特(Barnett)頁巖儲層開發(fā)中進行了推廣應(yīng)用。同時，石油公司開始試驗應(yīng)用新的完井與增產(chǎn)技術(shù)，例如多級水力壓裂技術(shù)、滑溜水壓裂液(包括線性和交聯(lián)凝膠)以及不同尺寸的支撐劑。

21世紀(jì)初，由于天然氣價格升高，以及在鉆井、完井和開發(fā)方面的技術(shù)突破，使得用水平井開采巴奈特頁巖變得經(jīng)濟可行。頁巖氣藏初期產(chǎn)量高、天然氣價格高，這極大地促進了頁巖氣開采的發(fā)展，而且頁巖區(qū)塊的均質(zhì)性強、橫向分布廣并具有達幾萬平方公里生產(chǎn)面積的“資源區(qū)帶”，從而引發(fā)了一場頁巖氣革命，形成了一個新的、直到現(xiàn)在還在繼續(xù)發(fā)展的頁巖油氣勘探開發(fā)方向。

1 第一階段：頁巖氣商業(yè)及技術(shù)策略的發(fā)展

在頁巖氣開發(fā)早期，起主導(dǎo)作用的主要是中型獨立石油公司，后來部分公司很快發(fā)展成為大型獨立石油公司。

隨著大尺度模型的建立(引起了華爾街的高度關(guān)注)，很多公司得以將以往行之有效的理念應(yīng)用到大規(guī)模的頁巖氣鉆井、完井和開發(fā)中，但專業(yè)的石油公司在頁巖氣早期開發(fā)階段并不一定取得很好的開發(fā)效果，其主要原因在于：參與晚(獨立石油公司已經(jīng)租借了甜點區(qū)域)；沒能利用獨立石油公司的關(guān)鍵開發(fā)策略；所參與的頁巖區(qū)塊還沒有經(jīng)過測試或者優(yōu)選；取得了無開采價值的頁巖區(qū)塊；對于新進展反應(yīng)遲緩；作業(yè)成本高；大規(guī)模應(yīng)用各種工程技術(shù)，但是收效甚微；團隊缺乏頁巖區(qū)塊或非常規(guī)區(qū)塊的開發(fā)經(jīng)驗。

因此，盡管某些大型石油公司較早地參與了頁巖氣的開發(fā)，但取得的成果很差。例如，Shell公司參與了位于俄克拉荷馬州和堪薩斯州的密西西比灰?guī)r區(qū)塊的開發(fā)，但是由于開發(fā)效果差、成本高，僅僅幾年后就將該區(qū)塊賣掉。BP公司與Lewis能源公司共同開發(fā)了伊格福特(Eagle Ford)區(qū)塊的頁巖氣，雖然獲得較好的開發(fā)成果，但BP公司仍然認為需要進一步降低成本。與BP公司類似，其他大型石油公司與較早進入頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域并獲得豐富勘探開發(fā)經(jīng)驗的獨立能源公司合作，取得了一定的成功。例如，挪威國家石油公司(Statoil)收購了在巴肯(Bakken)地區(qū)作業(yè)的布里格姆(Brigham)能源公司(并獲得了其大部分專利技術(shù))，必和必拓公司(BHP Billiton)收購了油鷹(PetroHawk)能源公司，并在一段時間內(nèi)保留了原首席執(zhí)行官，以便于知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移。同樣地，其他大型石油公司也通過收購獨立石油公司(而不是簡單的租用區(qū)塊)，開始頁巖氣的開發(fā)。

當(dāng)然，這并不意味著所有獨立石油公司都取得了成功，或者所有大型石油公司所取得的成果都不理想，只是說明，由于大型石油公司參與的范圍、廣度和尺度更大，其進入(或退出)頁巖氣開發(fā)會顯得更引人矚目。

1.1 快速有效的區(qū)塊定位

獨立石油公司常常更關(guān)注于深入研究數(shù)年的1～2個頁巖區(qū)塊。該公司要么擁有已投產(chǎn)油田，其頁巖區(qū)塊作為邊際油藏而最終投產(chǎn)，要么能夠在不干擾(至少初期)市場的情況下快速擴展新的頁巖區(qū)塊。

巴奈特頁巖該區(qū)塊是一個特例，由于其大部分的目的層位于沃斯堡市下方，因此在開發(fā)前必須召開大量的公眾聽證會，這使得該區(qū)塊的頁巖氣開發(fā)廣為人知。很多石油公司參與了該區(qū)塊頁巖氣的勘探開發(fā)工作，而且由于開發(fā)技術(shù)很大程度上還處于試驗階段，因此各個公司之間的頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗差別很大[1]。

馬塞勒斯(Marcellus)頁巖該區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)量主要集中在一個區(qū)域，其他儲層已經(jīng)投產(chǎn)多年。實際上，馬塞勒斯頁巖層是該區(qū)塊的邊際油藏。蘭格(Range)和卡伯特(Cabot)等在該區(qū)塊作業(yè)的公司擁有或者能夠使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，因此具有很好的初始有利條件[1]。

伊格福特頁巖該區(qū)塊是一個典型的大型頁巖氣區(qū)塊，擁有少有的廣闊租借面積?？勺饨枵麄€區(qū)塊，對提高整體效益十分有利。同時，要求作業(yè)公司與土地所有者建立良好的信任關(guān)系，而這是一個外來者或者大型石油公司難以做到的[1]。

巴肯頁巖早在頁巖的真實潛力被廣泛認可之前，布里格姆石油公司(Brigham)和大陸石油公司(Continental)等就獲得了該區(qū)塊的租約。美國地質(zhì)調(diào)查局對于該區(qū)塊可采儲量的預(yù)測持續(xù)偏低(預(yù)測儲量為6.4×108m3原油當(dāng)量)，使得這些公司在礦區(qū)租借方面受益(當(dāng)然也可能不利于獲得公共融資)。目前，由于新技術(shù)的出現(xiàn)和新儲層——如斯里?？怂箖?Three Forks)——的發(fā)現(xiàn)，該區(qū)塊的可采儲量預(yù)測值高達76.3×108m3原油當(dāng)量[1]。

1.2 新的融資方法

由于頁巖氣區(qū)塊規(guī)模巨大、水平井具有動用儲量大的優(yōu)勢，并且區(qū)塊各個位置都能獲得均勻的開采(至少初期這樣認為)，預(yù)測的最終儲量以及現(xiàn)金流得到了華爾街投資者的高度重視[2-3]。但是，對于多數(shù)獨立石油公司，如果無法通過其他創(chuàng)新的方式獲得融資，仍然很難在這種高度資金密集的頁巖區(qū)塊實施鉆井作業(yè)。

大型石油公司通常囿于這樣一個現(xiàn)實，即公司的大股東為大型機構(gòu)投資者，通常要求利潤分紅并具有上漲的預(yù)期；然而，低市值的小型石油公司卻十分激進，即投資者更愿意承擔(dān)高風(fēng)險以換取可能的高額匯報[1-3]。即便如此，如果股東活動家們?nèi)〉昧斯镜目刂茩?quán)，則“高風(fēng)險、高回報”的方式有時也會擱淺。而且，這種方式可能是高負債、低氣價時代的唯一結(jié)局。然而，經(jīng)常會出現(xiàn)一些具有遠見卓識的領(lǐng)導(dǎo)者，他們在“概念驗證”階段起主要作用，而此后則需要有股東活動家加入，并建立一套審慎的規(guī)則，即成本控制和統(tǒng)一部署。冒險可能是個好辦法，但并不總是奏效，這在很大程度取決于公司的文化。

切薩皮克能源公司(ChesapeakeEnergy) 該公司通過股權(quán)融資、債務(wù)融資甚至以未來產(chǎn)量作為抵押進行融資的方法，發(fā)起了新的激進的公共融資。因為誘人的投資回報預(yù)期和潛在的股票回報，人們普遍認為值得為這種高資金消耗承擔(dān)風(fēng)險。雖然不是所有的融資項目最終都能達到投資者的回報預(yù)期，但那是另一回事了。

桑德里奇能源公司(SandRidgeEnergy) 為了融資開發(fā)密西西比灰?guī)r區(qū)塊，該公司發(fā)行了“密西西比信托”產(chǎn)品。密西西比灰?guī)r區(qū)塊并不是頁巖而是石灰?guī)r，但是由于其規(guī)模巨大、平面展布廣且適合于高密度多級水平井開發(fā)，仍然被視為“非常規(guī)區(qū)塊”。信托證書是一種有價證券，它是通過普通股票的獨立銷售并且功能上作為一種有效的籌資工具。

德文郡(Devon)能源公司為了獲得開發(fā)伍德福德(Woodford)等頁巖區(qū)塊所需的資金，該公司與國際國有公司展開了合作。投資公司并不期望通過出售股票而得到快速的投資回報，而是希望通過技術(shù)交流和知識轉(zhuǎn)移，來開采自己國家的頁巖氣資源。

油鷹能源公司該公司通過各種渠道獲得了初期融資，在伊格福特頁巖區(qū)塊，完成了首批“概念驗證”井，即在識別的油氣富集區(qū)或甜點區(qū)鉆井。

大陸石油公司該公司作為多級水力壓裂的先行者之一，在巴肯頁巖區(qū)塊獲得了很高的初期產(chǎn)量。利用在巴肯頁巖氣區(qū)塊獲得的杠桿收益(此時油價高)，該公司購買了位于俄克拉荷馬州南部的伍德福德SCOOP高含氣頁巖區(qū)塊。

與勘探階段一樣，非常規(guī)區(qū)塊的開發(fā)階段同樣依賴于創(chuàng)新[4-5]。一些公司處于高額債務(wù)與低迷氣價的雙重困境，有人認為，在收購這些公司的資產(chǎn)時，其他公司顯得過于審慎，原因在于投資者們期望一個穩(wěn)定的增長速度，就好像“概念驗證”都意味著一帆風(fēng)順一樣。然而不幸的是，隨著對油藏認識的不斷加深，非常規(guī)資源的開發(fā)更需要高度創(chuàng)新。

1.3 新技術(shù)的應(yīng)用

石油公司在頁巖氣勘探開發(fā)過程中使用的幾項突破性新技術(shù)，其中大部分都是由獨立石油公司與油服公司聯(lián)合快速開發(fā)出來的。為了保證租期內(nèi)的生產(chǎn)(HBP)，公司必須盡可能快地鉆井來加快作業(yè)進度，而在這之前，公司會將區(qū)塊用作“現(xiàn)場實驗室”，對早期的單井進行測試與評估[6-7]。如果有1～2口井的測試結(jié)果顯示獨立石油公司所使用的技術(shù)方法會引起嚴重的問題，他們可以及時調(diào)整甚至徹底更改鉆井方案和鉆井計劃。

通過地球化學(xué)方法確定含油氣邊界利用直接手段來確定總有機碳含量(TOC)和熱成熟度，從而確定含油氣邊界。此外，有一些間接計算/預(yù)測有機碳含量的新方法，也取得了一定成效，例如利用已有測井?dāng)?shù)據(jù)的計算方法(Passey法)[8-9]。

水平鉆井/地質(zhì)導(dǎo)向鉆井水平鉆井和隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向鉆井需要配合新型鉆頭、鉆桿以及鉆井泵。初期，小型石油公司能夠針對幾口井進行試驗并解決關(guān)鍵問題，但不會將研究推廣到一個包含50～60口增產(chǎn)井的鉆井計劃中[10]。

用于有效識別甜點及地質(zhì)導(dǎo)向的成像技術(shù)米歇爾能源公司及其他公司提出了一種方法，綜合了地質(zhì)、地球物理信息，能夠生成并解釋三維地震圖像，從而在鉆前以及導(dǎo)向鉆進時揭示油氣富集區(qū)(甜點)。在存在地質(zhì)風(fēng)險(包括水層和異常壓力地層)的儲層中鉆進時，地質(zhì)導(dǎo)向尤為重要[6-7]。

降低儲層傷害的新型流體掌握黏土礦物以及井的其他元素的特性，對于開發(fā)不堵塞裂縫或裂縫區(qū)域的新型流體至關(guān)重要[6,10-11]。

實時溫度和壓力監(jiān)測工具隨鉆測井(LWD)是一個重大的技術(shù)突破。其中，可實時傳遞信息的耐高溫傳感器發(fā)揮了重要作用[12]。

人工及天然裂縫系統(tǒng)在富含天然裂縫的地層中鉆進，可能會對鉆井作業(yè)帶來顯著影響，在產(chǎn)氣層——例如馬塞勒斯(Marcellus)和海尼斯威爾(Haynesville)——尤其如此[13]。更好地了解裂縫延伸方向(如圖1所示，其中，圖1(a)為模擬得到的裂縫有效連通性和電導(dǎo)率，圖1(b)為壓裂后裂縫的有限連通性和電導(dǎo)率[12])，可以更好地優(yōu)化壓裂支撐劑、壓裂液、施工壓力及壓裂工藝。

圖1 裂縫延伸方向Fig.1 Mapping fracture pathways

壓裂液和水力壓裂設(shè)計其關(guān)鍵是需要掌握壓裂液的性能，并且要認識到，盡管所有頁巖區(qū)塊具有一些共同特征，但每個頁巖區(qū)塊都是不同的。比如，在巴奈特頁巖區(qū)塊進行水力壓裂時，瓜膠是一種關(guān)鍵的壓裂液添加劑。然而，這種添加劑的加量還需要進一步優(yōu)化，某些情況下還需加入交聯(lián)劑(如鋯交聯(lián)劑)，使膠體發(fā)生交聯(lián)，從而形成一種更耐高壓、與支撐劑配合更好的聚合物[6]。

更加深入地了解巖石力學(xué)性質(zhì)對于自噴井、非自噴井或產(chǎn)量迅速遞減的井，掌握巖石力學(xué)性質(zhì)非常重要，特別是孔隙結(jié)構(gòu)、喉道和裂縫的研究。毫無疑問，獨立石油公司會盡最大的努力去研究鉆井、完井以及生產(chǎn)過程中巖石結(jié)構(gòu)的變化[12]。

用于巖性識別的X射線衍射技術(shù)(XRD) XRD等新技術(shù)正被用于黏土礦物識別，以模擬和預(yù)測鉆井、完井和壓裂過程中的反應(yīng)。圖2為北美頁巖XRD礦物識別分析結(jié)果[8]。

圖2 北美頁巖XRD礦物識別分析結(jié)果Fig.2 Minerals from XRD analysis for North American shales

“現(xiàn)場實驗室”法與一些作業(yè)者要求遵循“井工廠”模式不同的是，實際上，作業(yè)公司高度創(chuàng)新、敢于嘗試新的鉆井完井技術(shù)和處理方法。由于這些新技術(shù)會比其他技術(shù)更有效，這意味著作業(yè)者在早期階段的開發(fā)成效差異很大，而且獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)也有利于后來的工作[14-15]。

以團隊為核心的組織結(jié)構(gòu)(分散式領(lǐng)導(dǎo)) 團隊可能很小，成員來自各個領(lǐng)域，通常是工程師、地質(zhì)師、巖土工程師和地球物理學(xué)家共同協(xié)作。團隊可快速決策，并且團隊領(lǐng)導(dǎo)的快速決策不需要通過冗長的審核過程。

1.4 面臨的挑戰(zhàn)

頁巖區(qū)塊勘探的第一階段在工程技術(shù)上取得了巨大成功，使得在頁巖中的鉆井、完井成為可能，后續(xù)才能生產(chǎn)大量的油、干氣和濕氣。然而，瑞士信貸集團的報告顯示，頁巖氣井第一年的產(chǎn)量遞減率很大，例如密西西比灰?guī)r氣井產(chǎn)量遞減率高達80%，巴肯斯里?？怂鬼搸r氣井產(chǎn)量遞減率也達到65%左右。為了控制遞減率、更好地開發(fā)儲層，研究的重點轉(zhuǎn)移到了加密鉆井(水平井)[2-3]。

除了氣井產(chǎn)量遞減率高，還存在其他的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括：大型水力壓裂的成本逐漸升高；井場和基礎(chǔ)設(shè)施需要優(yōu)化；更好地找準(zhǔn)甜點；確定最佳井距和井網(wǎng)密度；確定一個區(qū)塊的含油氣邊界(“死油氣線”)；確定新的含油氣層，特別是在含多層油氣層或“疊加層”的頁巖區(qū)塊[10,16]。

2 第二階段：頁巖氣開發(fā)技術(shù)策略優(yōu)化

目前，頁巖區(qū)塊開發(fā)處于一個新階段，包括鉆井完井作業(yè)優(yōu)化，從而得到更高的初期產(chǎn)量，降低單井產(chǎn)量遞減率，提高可采儲量。第二階段的關(guān)鍵問題在于，大型石油公司和獨立石油公司需要實現(xiàn)開發(fā)效益，并且提高投資組合的質(zhì)量。其目標(biāo)主要包括：獲得作業(yè)區(qū)塊；從生產(chǎn)中獲得快速的現(xiàn)金流；從實踐中學(xué)習(xí)；使用革新性的技術(shù)；優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施；縮短遞減率高的生產(chǎn)階段；探索加密井網(wǎng)的新途徑，以提高最終采收率。

2.1 常規(guī)方法

通用工作流程已經(jīng)被Williams-Kovacs及Clarkson發(fā)展成型[13]，他們提供了一種頁巖氣開發(fā)流程，如圖3所示。

2.2 特殊方法

頁巖區(qū)塊的開發(fā)過程可以概括為勘探、評價和開發(fā)3個方面。

圖3 頁巖氣開發(fā)流程概述Fig.3 Workflow of the shale gas development process

2.2.1 勘探

勘探的主要目的是識別頁巖儲層中最高產(chǎn)的部分(即找到甜點)，其主要工作包括：獲得作業(yè)區(qū)塊(租借或購買)，大型盆地分析研究，典型剖面、測井、地震、地球物理等。

2.2.2 評價

評價的目的是為先導(dǎo)試驗井和水平生產(chǎn)井做準(zhǔn)備。

1) 先導(dǎo)試驗井設(shè)計。主要目的是保證設(shè)計的科學(xué)性，并為進行中的室內(nèi)研究收集數(shù)據(jù)，其主要工作包括壓力監(jiān)測、測試井、測井和取心、壓裂前后的先導(dǎo)試驗。

2) 水平井。主要目的是指導(dǎo)壓裂設(shè)計優(yōu)化以及作業(yè)，其主要工作包括更高密度的井間距、支撐劑密度優(yōu)化、提高井網(wǎng)密度、使用更多支撐劑[17]。

2.2.3 開發(fā)

開發(fā)的目標(biāo)是保持投資和生產(chǎn)優(yōu)化間的平衡[1]。

投資資本有效利用、對沖保值以及良好的中游合同。

疊加區(qū)帶中的新區(qū)域針對每個疊加層的多底井；作業(yè)區(qū)域倍增；降低風(fēng)險與支出。

布井優(yōu)化井間距以及位置(包括疊加井和加密井)。

作業(yè)效率基礎(chǔ)設(shè)施、中游作業(yè)、產(chǎn)出水/流體處理。

井網(wǎng)密度優(yōu)化(加密井網(wǎng)/垂直間隔鉆井) 井距離為200 m的1.6 km長的井(0.3 km2空間間隔)；井距離為100 m的1.6 km長的井(0.2 km2空間間隔)；確定新鉆井生產(chǎn)效果(老井的80%或者60%)；確定裂縫干擾/流體行為/流動通道。

隨著頁巖氣的發(fā)展，工程技術(shù)優(yōu)化尤其重要[18]。研究一種優(yōu)化方法時，主要是要用有效的模型/建?？紤]變量，包括物理性能以及財務(wù)和經(jīng)濟方面的變量，如圖4所示[13]。

圖4 頁巖氣勘探開發(fā)油藏模擬流程Fig.4 Workflow for reservoir simulation of Shale gas development

3 結(jié)論與展望

在頁巖區(qū)帶商業(yè)化過程的第二階段中，技術(shù)策略主要集中在儲層優(yōu)化上面。毫無疑問，將來在儲層描述、甜點識別、鉆井完井和增產(chǎn)措施優(yōu)化方面會有重大進步。

可能出現(xiàn)一些重大的技術(shù)突破：目前鉆井方式的改變，以及出現(xiàn)可被稱作“隨鉆增產(chǎn)”(或形成一個新名詞：增產(chǎn)式鉆井)的鉆井與酸化過程的結(jié)合，能夠使儲層傷害最小化并極大地降低成本和縮短鉆井完井時間。最終的結(jié)果是降低了成本，并實現(xiàn)了更高的最終采收率。

參考文獻
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