美國頁巖氣技術代際特征及成功因素分析

王世秋，衛(wèi)永剛，王國慶，馮玉寶

（1.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東東營 257237；2.中國石化勝利油田分公司經(jīng)濟開發(fā)研究院，山東東營 257000）

近年來，我國頁巖油氣發(fā)展迅速，特別是中國石化涪陵頁巖氣田，通過加強技術和管理創(chuàng)新，形成了頁巖氣藏開發(fā)的五大技術體系。低油價下，美國油企實現(xiàn)了頁巖油氣革命的成功。深入分析美國頁巖氣技術的發(fā)展歷程，客觀認識我國與美國頁巖氣開發(fā)技術間的差距及不足，對國內(nèi)油氣田企業(yè)研究制定配套發(fā)展策略，促進頁巖油氣開發(fā)具有重要現(xiàn)實意義。

1 美國頁巖氣技術代際特征及與涪陵頁巖氣開發(fā)技術對比

美國是世界上最早進行頁巖氣資源勘探開發(fā)的國家，通過多年來持續(xù)不斷創(chuàng)新研發(fā)，進入21世紀，以鉆井和壓裂技術為代表的頁巖氣開發(fā)技術實現(xiàn)突破性進展，推動了頁巖氣開發(fā)規(guī)模爆炸式擴張。據(jù)美國能源情報署統(tǒng)計，自2001-2018年，美國頁巖氣產(chǎn)量由140億立方米增至5 760億立方米，增長了40倍以上。2008-2018年，頁巖氣開采成本從早期的4 ～6 美元/千立方英尺降至 3美元/千立方英尺，致密油盈虧平衡價格從前期的70～90美元/桶降至30～40美元/桶。隨著頁巖油氣產(chǎn)量不斷增長，美國已由本世紀初年進口量超過1 000億立方米的天然氣凈進口國，2017年轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴鈨舫隹趪?，預計2022年將成為原油凈出口國，對世界油氣秩序和地緣政治格局產(chǎn)生深刻影響。

1.1 美國頁巖氣“三代”技術發(fā)展歷程

本世紀初以來，按照產(chǎn)量規(guī)模可將美國頁巖氣發(fā)展分為3個階段，第一階段2001-2010年，產(chǎn)量規(guī)模由140 億立方米增至1 000 億立方米以上；第二階段2010-2015 年，產(chǎn)量規(guī)模由1 000 億立方米增至3 000 億立方米以上；第三階段2015 年至今，產(chǎn)量規(guī)模由3 000多億立方米增至5 000億 立方米以上。在不同發(fā)展階段，開發(fā)技術既有繼承發(fā)展的特點，也有創(chuàng)新發(fā)展的特征，其創(chuàng)新發(fā)展標志可作為代際劃分的依據(jù)。

1）頁巖氣開發(fā)“一代”技術主要包括水平鉆井、大型水力壓裂、重復壓裂、同步壓裂等技術系列。2002年以前，美國頁巖氣開發(fā)以垂直井為主，采取凝膠或泡沫壓裂技術，成本較高、效果較差。2003年，戴文能源公司在美國政府的持續(xù)資助下，將隨鉆測井設備技術應用到頁巖氣水平井開發(fā)，在巴肯的7 口頁巖氣試驗水平井取得了巨大成功，拉開了頁巖氣水平井開發(fā)的序幕。2005年以后，大型水力壓裂、重復壓裂等技術使最終采收率增加8%～10%，可采儲量提高近60%，特別是2006年，同步壓裂技術開始實施，增產(chǎn)效果明顯[2]。到2010年，美國頁巖氣鉆井水平段達到1 500 米，鉆井周期30 天左右，多級壓裂段數(shù)達到16段，壓裂效率達到4段/日，相關技術的發(fā)展對解放儲層、增加產(chǎn)量效果極其顯著[1]。

2）頁巖氣“二代”技術主要包括水平井規(guī)?；瘧?、多級分段壓裂、壓裂完井檢測技術和“井工廠”模式等。資料顯示，2014 年美國獨立石油公司的鉆井水平段達2 000米以上，壓裂段數(shù)達到30段，壓裂效率達到8段/日，促使頁巖氣產(chǎn)量呈指數(shù)型增長。巴肯頁巖區(qū)帶90%的鉆井采用“井工廠”模式，每個平臺可實現(xiàn)鉆井12 ～16 口。斯倫貝謝和貝克休斯公司推出的高造斜率旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)，實現(xiàn)了16口水平井“造斜段＋水平段”的一趟鉆，平均鉆井周期降低40%以上。在這一時期，多級分段壓裂一般壓裂級數(shù)為20 ～30級，壓裂間距20～30米，極大地延伸了頁巖氣的開采范圍[3]。微裂縫綜合監(jiān)測技術的出現(xiàn)，為監(jiān)測、指導、評價頁巖氣藏壓裂增產(chǎn)效果提供了利器。

3）頁巖氣“三代”技術主要標志為“長水平井＋超級壓裂”技術和多功能測井系統(tǒng)。2014年以來，以美國先鋒頁巖氣公司為代表的油氣企業(yè)在壓裂技術上取得了新突破，水平井平均壓裂段間距從73 米降至30 米，簇間距從18 米減小至4.6 米，依靠技術突破實現(xiàn)了單井產(chǎn)量大幅增長，折算桶油操作成本降低9 美元、生產(chǎn)成本降至30美元。同期，頁巖油氣水平井的水平段長度達到 3 000～5 000米，新鉆井水平段長度大于2 400米的井數(shù)占比超過40%，美國巴肯和二疊盆地的數(shù)量甚至超過70%。超級壓裂技術的壓裂強度也在增加，壓裂段數(shù)能達到80段，日壓裂段數(shù)達到18段。另外，多功能測井系統(tǒng)的應用推動了測井技術邁向智能化進程，大幅度提高了數(shù)據(jù)采集速度。

1.2 美國頁巖氣“三代”技術與涪陵頁巖氣技術對比

涪陵頁巖氣田是我國首個大型頁巖氣田。涪陵頁巖氣公司針對地面地下環(huán)境復雜，頁巖易垮塌等開發(fā)難題，加強技術和管理創(chuàng)新，形成了頁巖氣藏綜合評價、水平井組優(yōu)快鉆井、長水平井分段壓裂試氣、試采開發(fā)配套、綠色開發(fā)等五大技術體系，對我國頁巖氣勘探開發(fā)起到了明顯的示范效應[5]。

通過資料分析，選取水平井水平段長度、鉆井周期、壓裂段數(shù)、壓裂效率、壓裂成本等頁巖氣開發(fā)的六項指標，將美國頁巖氣“一代”“二代”“三代”技術與涪陵頁巖氣開發(fā)技術對比（見表1）。由于國內(nèi)外頁巖氣田的地面環(huán)境、地質(zhì)條件、開發(fā)技術需求等差異大，因此頁巖氣勘探開發(fā)的技術指標不具有完全可比性，僅作為參考。

對比情況表明，一是少數(shù)技術“并跑”。在水平井鉆井長度、鉆井速度等方面，美國鉆井水平段達到3 000 米以上，涪陵鉆井水平段已達到 3 000多米（目前鉆井大多應用斯倫貝謝鉆頭旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)技術），鉆井速度已達到13米/小時，基本達到美國第三代技術水平。二是部分技術“跟跑”。在水力壓裂段數(shù)、壓裂效率等方面，涪陵頁巖氣單井壓裂段數(shù)達到29 段，壓裂效率8 段/日，已達到美國頁巖氣開發(fā)的第二代技術水平。三是個別技術落后。在鉆頭旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)技術、壓裂完井檢測評價系統(tǒng)等方面，目前僅斯倫貝謝、貝克休斯等大型油氣服務公司擁有完整的旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)技術，代表了當今世界鉆井技術發(fā)展的最高水平。國內(nèi)自主研發(fā)的隨鉆導向系統(tǒng)在成熟區(qū)塊已具有較強的性價比優(yōu)勢[4]。在壓裂完井檢測評價技術方面，涪陵頁巖氣公司已開展了微地震監(jiān)測技術，目前還處于起步研究階段，相當于美國第一代技術水平。

表1 美國頁巖氣三代技術與我國涪陵技術現(xiàn)狀對比

2 美國頁巖氣革命成功的關鍵因素及啟示

美國頁巖氣革命的成功，與美國得天獨厚的頁巖氣資源條件、政府產(chǎn)業(yè)政策的推動、地面輸氣設施的完善配套以及高度發(fā)達的市場化環(huán)境等客觀條件和外部因素密切相關，更為重要的是，美國油氣企業(yè)圍繞技術突破持續(xù)推動原始創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化合作創(chuàng)新，最終實現(xiàn)了關鍵技術的突破和商業(yè)化應用，相關做法值得學習借鑒。

1）保持研發(fā)投入強度并高度重視前瞻性項目投入，是催生原始創(chuàng)新的重要保障。保持合理的研發(fā)投入強度（研發(fā)費用占營業(yè)收入的比重），是國際石油公司推動技術創(chuàng)新、贏得競爭優(yōu)勢的共性做法。資料顯示，即使在油價暴跌期間，國際先進石油企業(yè)仍保持了研發(fā)投入強度穩(wěn)中有升（2015年，?？松梨?、殼牌、雪佛龍、康菲等石油企業(yè)在嚴格控制成本費用的同時，研發(fā)投入強度平均為0.5%，同比上升了0.15 個百分點）。正是依靠穩(wěn)定的研發(fā)費用支持，?？松梨谠?0世紀90年代末實現(xiàn)了三維地震技術、水平井技術的突破和規(guī)模應用，使單位勘探成本下降了近50%；2008年后實現(xiàn)了多級壓裂、鹽下地層成像等技術的突破，大幅提高了勘探開發(fā)的效率和效益。在研發(fā)項目的選擇上，將前瞻性技術擺在重要位置，雪佛龍公司早在1999年就設立了風險技術投資公司，每年投入約2 500 萬美元前瞻性技術風險創(chuàng)業(yè)，促進了新技術的革新與應用；殼牌公司則啟動了“游戲變革者計劃”，面向公司內(nèi)外征集具有“奇思妙想”的創(chuàng)意，并為有價值的新穎創(chuàng)意項目提供經(jīng)費支持和商業(yè)技術指導，殼牌創(chuàng)意項目產(chǎn)生了公司40%的核心研發(fā)項目和30%的新創(chuàng)企業(yè)。

當前，國家大力實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略，實行了科研費用加計扣除等一系列鼓勵政策，為油氣企業(yè)推動科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供了有利條件。鑒于以上情況，有必要以創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略為引領，進一步完善技術創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的相關政策，以提高勘探開發(fā)效率和降本增效為目標持續(xù)推進科研攻關，加快技術創(chuàng)新特別是原始創(chuàng)新的步伐，使之成為油田高質(zhì)量發(fā)展的利器。

2）注重企業(yè)之間、企業(yè)與研究機構(gòu)之間的技術交流，是推動協(xié)同創(chuàng)新的重要舉措。美國頁巖氣技術的突破多來源于中小獨立石油公司（目前美國境內(nèi)擁有6 000多家獨立石油公司），同時，由美國政府資助的非盈利性研究機構(gòu)在水平井鉆井、水平井多段壓裂等方面也做出了重要貢獻，大型石油企業(yè)通過兼并收購中小公司、加強與非盈 利性研究機構(gòu)合作等方式推動了規(guī)?；瘧?。在 一定程度上，美國頁巖氣革命是技術協(xié)作的產(chǎn)物。

近年來，國內(nèi)油氣企業(yè)不斷加強技術創(chuàng)新和勘探開發(fā)力度，在勘探開發(fā)上取得了一系列新的進展和突破。特別是2019年以來，中國石油大港油田在官東區(qū)域頁巖油勘探取得突破，已形成億噸級增儲陣地；中國海油在渤中區(qū)域天然氣勘探獲得重大成果，在以原油為主的渤海灣盆地發(fā)現(xiàn)了儲量規(guī)模1 000億立方米的大型氣田。針對以上情況，國內(nèi)各油田企業(yè)有必要在堅持自主創(chuàng)新的同時，加強與兄弟企業(yè)以及外部研究機構(gòu)的合作，通過引進吸收、取長補短，共同推動關鍵技術突破，實現(xiàn)合作發(fā)展。

3）加強油公司與油服公司的戰(zhàn)略聯(lián)盟，是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新的重要途徑。在國際石油市場，油服公司既是油公司的服務者，也是技術創(chuàng)新的重要推動者，從頁巖氣開發(fā)領域來看，目前鉆頭旋轉(zhuǎn)導向技術、壓裂完井檢測評價技術等頂尖技術是由斯倫貝謝、貝克休斯等大型油服公司所掌握。圍繞提高勘探開發(fā)的效率和效益，國際油公司與油服公司通過建立戰(zhàn)略聯(lián)盟等新型發(fā)展模式，共享收益、共擔風險，對包括頁巖氣在內(nèi)的油氣資源高效開發(fā)產(chǎn)生了重要推動作用。

針對國內(nèi)油田資源品位變差、持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)難度增大的實際，有必要借鑒國外油公司與油服公司建立戰(zhàn)略聯(lián)盟的做法，深化油田公司和工程公司合作，經(jīng)驗分享、交叉研究，形成合作創(chuàng)新、共同發(fā)展的新局面。

3 結(jié)語

石油企業(yè)之間的競爭重要的是技術實力與管理能力的競爭，先進技術的集成和綜合應用可大大提高勘探開發(fā)效益。我國具有豐富的頁巖油氣儲量，涪陵頁巖氣田通過技術與經(jīng)濟、管理創(chuàng)新，取得了鉆井提速、施工效率提升、工程成本下降的顯著效應，對國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)起到了明顯的示范效應。但整體看，我國頁巖油氣等難動用儲量開發(fā)技術仍存在較大的差距，借鑒美國等石油公司在頁巖氣田開發(fā)管理的主要做法，建議加強油氣田開發(fā)科技規(guī)劃建設，加強與國內(nèi)外具有技術優(yōu)勢的石油公司、工程服務公司的合作，靈活運用各種資源，強化科技組織管理，促進技術創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化能力，為油田高效勘探效益開發(fā)奠定基礎。