低油價下北美地區(qū)降低鉆完井作業(yè)成本的主要做法及啟示

田洪亮，呂建中，李萬平，楊金華

（ 1.中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 ）

低油價下北美地區(qū)降低鉆完井作業(yè)成本的主要做法及啟示

田洪亮1，2，呂建中1，李萬平1，楊金華1*

（ 1.中國石油集團經(jīng)濟技術(shù)研究院；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 ）

自國際油價大幅度下跌以來，北美地區(qū)的頁巖油氣生產(chǎn)在降本增效方面采取了一系列有效的技術(shù)手段和方法，無論是壓裂設(shè)計、鉆完井設(shè)計，還是現(xiàn)場施工和作業(yè)管理等都有新突破。主要體現(xiàn)在：實施老井重復(fù)壓裂，增加壓裂段數(shù)并加大支撐劑量；加大水平井段長度，單井場多產(chǎn)層，應(yīng)用水循環(huán)系統(tǒng)降低用水成本；減少非作業(yè)時間，壓縮材料成本；對材料、管理、設(shè)計進行綜合優(yōu)化。學(xué)習(xí)借鑒北美地區(qū)的做法和經(jīng)驗，中國油氣田降低成本必須應(yīng)用多種手段對鉆完井設(shè)計、井場設(shè)計、生產(chǎn)組織、工藝技術(shù)、現(xiàn)場管理等進行系統(tǒng)優(yōu)化，對關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)化組合。

鉆完井；降本增效；頁巖油氣；低油價；北美

2014年下半年以來，為應(yīng)對油價暴跌帶來的壓力，北美地區(qū)的主要頁巖油氣作業(yè)公司紛紛采取技術(shù)和管理措施，大幅度降低成本，取得了較好的成效。梳理與分析EOG能源、Occidental石油、Chesapeake、Marathon、Southwest能源、Encana等公司的鉆完井設(shè)計、現(xiàn)場施工、管理等有關(guān)資料，可以發(fā)現(xiàn)它們在壓裂設(shè)計、鉆完井設(shè)計、現(xiàn)場作業(yè)施工及作業(yè)管理等方面不斷取得突破，通過采取鉆井提速、減少非作業(yè)時間、壓縮材料費用等措施有效地降低開發(fā)成本。

1　壓裂作業(yè)：老井重復(fù)壓裂，增加壓裂段數(shù)并加大支撐劑量

1.1老井重復(fù)壓裂

近4年來，北美陸上共鉆井7.5萬口，大多是頁巖油氣井，產(chǎn)量遞減較快。新鉆井相對于當(dāng)前油價而言成本較高，而老井側(cè)鉆和重復(fù)壓裂的成本（約200萬美元）要低得多。因此，從2013年開始，一些公司開始對老井進行重復(fù)壓裂。例如，截至2014年第三季度，Marathon公司已在Bakken盆地對40%的井進行了重復(fù)壓裂（見圖1）。

從當(dāng)前的應(yīng)用效果來看，重復(fù)壓裂后的水平井段油藏接觸面積大幅改善（見圖2），4年以內(nèi)的生產(chǎn)井絕大多數(shù)都適合應(yīng)用重復(fù)壓裂，且重復(fù)壓裂單井完井成本可降至100萬～280萬美元，約為普通單井鉆完井成本的25%。同時，廣泛采用連續(xù)管技術(shù)進行重復(fù)壓裂，作業(yè)相對簡單。

重復(fù)壓裂井的初始產(chǎn)量最高能達到原井初始產(chǎn)量的98%，其初始年度遞減約為56%，要低于常規(guī)頁巖油氣井64%的初始年度遞減率；重復(fù)壓裂后產(chǎn)量增長明顯，相對于重復(fù)壓裂前，初始月度產(chǎn)量增長最高達85%（見圖3）。

圖1　Marathon公司Bakken盆地頁巖重復(fù)壓裂井?dāng)?shù)

重復(fù)壓裂正逐漸成為北美提高油氣產(chǎn)量、降低成本的重要手段。根據(jù)Energent公司2015年6月份的報告，預(yù)計到2020年，僅路易斯安那州Haynesville盆地頁巖油氣開發(fā)中的重復(fù)壓裂市場投資就將超過5億美元。IHS公司2015年7月份的分析表明，重復(fù)壓裂井將占美國所有已壓裂水平井的11%。截至2015年7月，全球有超過4500口重復(fù)壓裂井，雖然當(dāng)前全球范圍內(nèi)重復(fù)壓裂井的數(shù)量不多，但預(yù)計未來5年將快速上升。

1.2增加壓裂段數(shù)，減小壓裂段間距

圖2　水平井一次壓裂后（左圖）及重復(fù)壓裂后（右圖）井底裂縫示意

當(dāng)前越來越多的北美頁巖油氣作業(yè)者采用增加壓裂段數(shù)和減小壓裂段間距的方法來擴大泄油面積，提高單井初始產(chǎn)量，降低產(chǎn)量遞減率。在Eagle Ford盆地（滲透率＜20%）和Bakken盆地（滲透率＜12%）的頁巖油氣開發(fā)中，無論是康菲等大型一體化石油公司（見圖4），還是Noble等大型獨立石油公司，甚至包括Memorial等小型石油公司（見圖5），都廣泛采用該方式。目前，在上述兩地區(qū)，每月的新鉆井中分別有26%和22%的井采用該方式完井。

圖3　Eagle Ford盆地6口井重復(fù)壓裂前后產(chǎn)量變化

Noble公司當(dāng)前已累計在公司30%的井中通過降低壓裂段間距來提高產(chǎn)量（見圖6）；在2015年的完井中，應(yīng)用比例已達50%。

應(yīng)用該技術(shù)后的前兩年，油井產(chǎn)能下降明顯比其他井平緩。EOG能源等公司在Eagle Ford核心區(qū)的現(xiàn)場應(yīng)用顯示，單口井完井成本雖然上升12%～25%，但由于同等產(chǎn)量目標(biāo)下鉆井?dāng)?shù)量減少，區(qū)域開采成本降低20%～25%。

圖4　康菲Eagle Ford盆地壓裂設(shè)計變化

圖5　Memorial資源開發(fā)公司Eagle Ford盆地壓裂設(shè)計變化

1.3加大支撐劑量，提高支撐劑強度

北美地區(qū)陸續(xù)采用大排量壓裂液（IHS稱之為“超級壓裂”），將常規(guī)壓裂液中支撐劑強度（每英尺橫向支撐劑）提升25%（見圖7），甚至一些公司在應(yīng)用中的強度高達每英尺3000磅，使產(chǎn)量提升和遞減趨緩更為明顯。

圖6　Noble公司降低壓裂段間距

圖7　Continental資源公司Bakken地區(qū)單井支撐劑消耗量

大排量壓裂液推動了近年來美國壓裂砂用量的快速增長，2008－2013年，壓裂砂用量年均增長35%。2014年相對于以往增長更快，達到歷史新高的5420萬噸，比2013年增長45%（見圖8）。

雖然北美目前沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但EOG能源、Continental資源、Encana、康菲、Memorial資源開發(fā)、QEP資源等眾多公司正在進行現(xiàn)場測試和應(yīng)用。結(jié)果顯示，大排量壓裂液以及高強度支撐劑都能有效提升初始產(chǎn)量，降低產(chǎn)量遞減，且比加密井提升產(chǎn)量的效果要好（見圖9）。

圖8　美國壓裂砂每年消耗量

圖9　QEP資源公司Bakken盆地大排量支撐劑應(yīng)用效果

2　鉆完井設(shè)計：加大水平井段長度，單井場多產(chǎn)層，應(yīng)用水循環(huán)系統(tǒng)降低用水成本

2.1加大水平井段長度

近年來，在Bakken、Eagle Ford、Marcellus等盆地作業(yè)的Chesapeake等大型獨立作業(yè)公司廣泛提高了水平井段的長度。Chesapeake公司在Marcellus盆地的頁巖水平井長度的最高紀(jì)錄為3277米，水平井段分段壓裂最高紀(jì)錄達50段（見表1）。

小型獨立作業(yè)公司也在不斷提高水平段的長度。自2010年以來，Antero公司在Marcellus盆地的頁巖氣作業(yè)中的平均水平段長度一直在提高，從2010年的1747米提升到2015年的2743米，提高了57%（見圖10）。

2.2單井場多產(chǎn)層，優(yōu)化鉆完井設(shè)計開發(fā)多儲層油氣

應(yīng)用單井場實現(xiàn)多產(chǎn)層共同開發(fā)，充分利用一次井場，減少井場占用面積，通過優(yōu)化設(shè)計對地下儲層進行多層開發(fā)，實現(xiàn)區(qū)塊總體效益的提升。美國Eagle Ford、Permian盆地和加拿大Montney等盆地的頁巖油氣開發(fā)廣泛采用了這種方式。

表1　Chesapeake公司在Marcellus盆地和Utica盆地的頁巖平均水平井長度和壓裂段數(shù)變化

圖10　Antero公司在Marcellus盆地頁巖氣作業(yè)中的水平井段長度和壓裂段數(shù)

QEP資源開發(fā)公司在Permian盆地進行開發(fā)時，充分考慮了多儲層開發(fā)問題，在頁巖和碳酸鹽巖組成的垂向900米多儲層厚度內(nèi)共布置了755口水平井，立體式開發(fā)頁巖油氣。

2.3現(xiàn)場應(yīng)用水循環(huán)系統(tǒng)，降低水資源成本

采用現(xiàn)場水循環(huán)系統(tǒng)，使現(xiàn)場水資源循環(huán)利用，節(jié)省成本且更加環(huán)保。相對大的循環(huán)系統(tǒng)可通過管線供區(qū)域內(nèi)多井場使用，小的系統(tǒng)如車載單套小型系統(tǒng)可在井場直接應(yīng)用。這項技術(shù)服務(wù)業(yè)務(wù)在北美不斷擴大，催生了Omni Water等大量的小型水循環(huán)服務(wù)專業(yè)公司。

Approach資源公司現(xiàn)場應(yīng)用的AREX現(xiàn)場返排工藝和產(chǎn)出水處理工藝系統(tǒng)，處理能力為32.9萬桶/日。通過對水資源的循環(huán)利用，可以降低單井鉆完井成本45萬～100萬美元，減少當(dāng)?shù)刈赓U費用約1美元/桶油當(dāng)量，減少用水運輸費用約2美元/桶油當(dāng)量，同時能夠每天從水中提取約200桶油。2015年3月投入應(yīng)用至今，已在公司70%的作業(yè)區(qū)推廣該系統(tǒng)，累計處理100萬桶循環(huán)水。

Encana公司Montney盆地的頁巖油鉆井采用的Omni公司車載水處理系統(tǒng)（見圖11），處理能力為1萬桶/日，具有過濾、儲存和集輸?shù)饶芰?。可以將產(chǎn)出水進行循環(huán)，也可以用于壓力水供應(yīng)，現(xiàn)場應(yīng)用中單口井普遍可節(jié)省40萬美元。

3　現(xiàn)場施工：減少非作業(yè)時間，壓縮材料成本，提高物流管理精度

3.1廣泛應(yīng)用移動鉆井平臺，減少非作業(yè)時間

2014年，北美陸上鉆井平臺中有60%具有移動能力，其中35%是步進式移動方式，25%是滑動式移動方式。利用移動鉆井平臺進行工廠化作業(yè)，可將常規(guī)鉆井平臺的移動時間降至30分鐘，可大量節(jié)省作業(yè)時間和成本（見圖12）。

圖11　Omni公司車載水循環(huán)系統(tǒng)示意

圖12　2015年5月相對2014年5月的鉆機作業(yè)效率提升

全球最大的陸上鉆井承包商Nabors國際公司的報告認為，2018年工廠化鉆井（Pad Drilling）數(shù)量將占陸上鉆井量的70%，平均每個井組所鉆井?dāng)?shù)也將從2010年的2.2口升至6口以上（見表2）。

步進式移動系統(tǒng)能夠在8個方向移動，十分靈活，可以直接安裝到陸上鉆井平臺上。美國鉆井承包商除了新建移動式鉆機以外，還大量采用后裝移動式系統(tǒng)來快速升級鉆機裝備，例如，全球第六大陸上鉆井承包商Patterson-UTI公司的現(xiàn)有鉆機都可按需安裝該系統(tǒng)。

根據(jù)貝克休斯和Spears公司的統(tǒng)計，2015年5月份美國的頁巖油鉆機作業(yè)能力比2014年同期大幅提升，單鉆機年鉆井?dāng)?shù)量提升近50%，單井鉆井時間降低了60%。

表2　不同時期全球工廠化鉆井應(yīng)用程度

3.2陸續(xù)采用批量鉆井進行工廠化鉆完井，節(jié)省更多時間

批量鉆井（Batch Drilling），主要指按照順序批量完成多口井的表層、直井段和水平井段。可以利用不同的鉆機或者單一鉆機，實現(xiàn)在同一井組中相同井段同樣配置鉆機和底部鉆具，節(jié)省大量換鉆具時間（見圖13）。

用多臺鉆機時，一般采用常規(guī)移動鉆機+服務(wù)鉆機+連續(xù)管壓裂裝置3～4臺設(shè)備，例如，先利用750馬力移動鉆機進行表層鉆進、完井，然后利用移動式1500馬力鉆機進行垂直井眼和水平段鉆進（或水平段單獨用鉆機鉆進），最后進行連續(xù)管壓裂。

利用單一移動式鉆機時，在一個井工廠上，先按照單一順序鉆多口井的直井段，再反向順序鉆水平井段，最后進行壓裂（見圖14、圖15）。該方式在當(dāng)前4～6口井的井組中更為常見。

3.3拉鏈?zhǔn)綁毫押徒徊鎵毫?，增加地層干擾

當(dāng)前，工廠化鉆完井中已有67%的作業(yè)采用了拉鏈?zhǔn)綁毫鸦蚪徊鎵毫?，增加地層干擾可以在相同時間內(nèi)比傳統(tǒng)單井壓裂提高1倍工作效率，并減少相應(yīng)設(shè)備搬遷和重復(fù)組裝等的成本，縮短試氣周期。

在大規(guī)模開發(fā)初期，拉鏈?zhǔn)綁毫褟V泛應(yīng)用于并行的兩井組，兩井組同時并行壓裂。目前在一個井組中也廣泛應(yīng)用了交叉壓裂，即相鄰的兩口井進行交叉壓裂，可以增加相互的地層干擾，提高產(chǎn)量。

圖13　批量鉆井作業(yè)流程示意

圖14　DrillTech公司應(yīng)用的單一鉆機批量鉆井作業(yè)流程

圖15　Memorial資源公司現(xiàn)場應(yīng)用的單一鉆機批量鉆井作業(yè)流程

4　管理優(yōu)化：對材料、管理、設(shè)計進行綜合優(yōu)化，進一步降低成本

當(dāng)前，北美部分作業(yè)者（例如EOG資源公司等），在Eagle Ford盆地等成熟頁巖油區(qū)的單井成本已降到580萬美元以下，但仍有部分作業(yè)者的單井成本在1000萬美元以上。幾乎所有作業(yè)者都在尋求依靠技術(shù)手段降低成本的同時，努力通過管理優(yōu)化來進一步降低成本。

從北美頁巖油氣開發(fā)的作業(yè)流程看，作業(yè)者普遍認為在一體化設(shè)計（規(guī)劃）、鉆完井管理和技術(shù)服務(wù)、物流管理、材料管理、鉆井自動化和分析、專業(yè)合作（鉆井、地質(zhì)、作業(yè)者及施工方）六大領(lǐng)域仍存在管理優(yōu)化空間。

威德福公司對Eagle Ford盆地頁巖油氣開發(fā)中的管理和成本優(yōu)化進行了深入分析，最初評價井鉆完井成本達到1200萬美元，到區(qū)塊開發(fā)時，單井成本能夠降到730萬美元。其中工廠化和交叉壓裂能夠降低約26%的成本，其他如底部鉆具組合優(yōu)化、鉆井流體優(yōu)化、完井設(shè)計優(yōu)化和最佳實踐、需求計劃、直接材料來源等能夠降低約23%的成本（見圖16）。

埃森哲（Accenture）管理咨詢公司對Eagle Ford盆地頁巖油氣開發(fā)的一體化設(shè)計（規(guī)劃）、服務(wù)管理、物流管理和材料管理4個方面進行了深入分析（見表3）。其在2015年1月份的一份報告中認為，整個鉆完井時間仍可以進一步降低25%～40%，單井成本可以降低130萬～260萬美元，從當(dāng)前普遍的650萬美元左右降至400萬美元以下。

圖16　威德福公司Eagle Ford盆地頁巖油氣開發(fā)成本下降

表3　作業(yè)流程中時間和成本的優(yōu)化空間分析

5　啟示與建議

5.1降低生產(chǎn)作業(yè)成本是應(yīng)對低油價的有效途徑

在低油價時期，石油的一般商品屬性凸顯。在“市場決定價格、價格決定成本、成本決定利潤”的市場經(jīng)濟規(guī)則下，價格就像一只無形的手，不斷促進市場“重新洗牌”，只有那些擁有低成本優(yōu)勢的企業(yè)才能獲得生存和發(fā)展的機會。北美地區(qū)非常規(guī)油氣資源開發(fā)的實踐進一步表明，成本不是價格下跌的底線，相反價格是成本上升的天花板；任何成本都不是剛性不變的，需要隨著市場供需和價格的變化而變化。對于那些在高油價時期形成并一度被視為理所當(dāng)然的成本驅(qū)動要素，必須進行改革和調(diào)整。

例如，在頁巖油氣開發(fā)中，“水平井+壓裂”一直被視為提高產(chǎn)量的主要手段，也是降低生產(chǎn)作業(yè)成本的主要領(lǐng)域。近年來，中國的工廠化作業(yè)、水平井和壓裂等關(guān)鍵技術(shù)和作業(yè)方法取得了一系列進步。例如，在蘇里格致密氣開發(fā)中試驗的老井側(cè)鉆水平井方法，特別是利用連續(xù)管天然氣側(cè)鉆水平井，就突破了原有的生產(chǎn)理念，改變了原有的成本驅(qū)動要素，是在低油價下降低生產(chǎn)作業(yè)成本的一種有益探索。但是，總體來看，綜合成本和作業(yè)效率相對于北美地區(qū)仍有一定的差距，可以挖潛提升的空間依然較大。

5.2依靠技術(shù)和管理創(chuàng)新，挖掘降低生產(chǎn)作業(yè)成本的潛力

在低油價時期，企業(yè)必須依靠技術(shù)創(chuàng)新、管理優(yōu)化，提高效率、優(yōu)化運營、減少浪費，全方位、可持續(xù)地降低成本，絕不能以犧牲價值創(chuàng)造和未來發(fā)展為代價。以提高水平井分段壓裂產(chǎn)量為例，根據(jù)斯倫貝謝和伯恩斯坦研究機構(gòu)的報告，當(dāng)前美國陸上水平井分段集中在24～36段，但只有25%～33%的段數(shù)能夠產(chǎn)出油氣，基本上是20%～40%的壓裂段貢獻了80%的油氣產(chǎn)量。如果未來的技術(shù)創(chuàng)新能夠幫助作業(yè)者大幅度增加有效段數(shù)，或者減少浪費，將會進一步降低生產(chǎn)成本。曼哈頓研究所能源政策和環(huán)境研究中心甚至認為，未來有可能將頁巖油開發(fā)成本控制在5～20美元/桶。

學(xué)習(xí)借鑒北美地區(qū)的做法和經(jīng)驗，中國的油氣田降低成本必須應(yīng)用多種手段對鉆完井設(shè)計、井場設(shè)計、生產(chǎn)組織、工藝技術(shù)、現(xiàn)場管理等進行系統(tǒng)優(yōu)化，對關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)化組合，對鉆井液、工具等材料的使用精打細算，對工藝流程管理進行無縫銜接。同時，重視研究開發(fā)和推廣那些能夠提高效率、簡化流程、降低成本的實用技術(shù)，特別是與數(shù)字化、自動化、分析處理等相關(guān)的技術(shù)。

5.3建立并完善促進學(xué)習(xí)曲線加速和降本增效的激勵約束機制

北美地區(qū)非常規(guī)油氣資源成功開發(fā)的重要經(jīng)驗之一就是“學(xué)習(xí)曲線加速效應(yīng)”，即各作業(yè)公司都能夠在前期作業(yè)的基礎(chǔ)上不斷完善“最佳實踐”，改進作業(yè)模式、技術(shù)方法等，提高鉆井效率、降低鉆完井成本。在一大批中小投資者、作業(yè)者的利益驅(qū)動下，使先進適用的生產(chǎn)技術(shù)、作業(yè)模式、管理經(jīng)驗得以迅速推廣，其中大規(guī)模工廠化作業(yè)就是最典型的例證。

實施低成本戰(zhàn)略，需要建立有效的激勵約束機制，調(diào)動全體員工參與降本增效的積極性和創(chuàng)造性，把降本增效的壓力和動力同步傳導(dǎo)下去。同時，在企業(yè)內(nèi)部建立完善一體化的業(yè)績考核機制，使石油公司與服務(wù)公司之間、石油公司上下游產(chǎn)業(yè)鏈之間都能夠做到同心協(xié)力、利益共享、風(fēng)險共擔(dān)，在石油的“寒冬”里同舟共濟，抱團取暖。

編輯：夏麗洪

編審：張一馳

Main practice of reducing drilling and completion cost in North America under low oil price and its enlightenment

TlAN Hongliang1，2， LV Jianzhong1， Ll Wanping1， YANG Jinhua1
（1. CNPC Economics and Technology Research Institute； 2. College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum-Beijing）

A series of efective technical methods for decreasing cost and increasing beneft have been facilitated since the international oil prices fell sharply. Not only fracturing design， drilling and completion design but also site operation， production and operations management had new breakthroughs， which refected at implementing re-fracturing in old well， increasing fracturing segments and doses for supporting； lengthening segment length of horizontal well， developing multiple oil layers in the single well site， using the water cycle system to reduce the water cost； reducing non-operation time， compressing the cost of materials；comprehensively optimizing materials， management and design. China's oil and gas felds should systematically optimize drilling and completion design， well sites design， production organization， processing and technology and optimize the combination of the key technologies by referring the practice and experience form North America in order to reduce the cost.

drilling and completion； decreasing cost and increasing beneft； shale oil and gas； low oil price； North America

2016-09-12

* 本文作者還有郭曉霞、孫乃達、焦姣。