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近年來，我國能源需求日益攀升，常規(guī)油氣資源快速消耗，油氣供需矛盾突出。搶抓非常規(guī)油氣資源發(fā)展新機(jī)遇，既是保障國家能源安全的需要，又是我國立足油氣資源稟賦的必然選擇。頁巖油氣作為非常規(guī)油氣的代表，已成為我國最具戰(zhàn)略性的接替能源之一，是未來油氣勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)場。

美國頁巖油氣革命使其頁巖油氣產(chǎn)量顯著增長，而這其中最重要的就是采用了立體開發(fā)技術(shù)。目前頁巖油氣已經(jīng)成為美國油氣產(chǎn)量增長的主體，對(duì)全球能源格局產(chǎn)生重大影響。我國頁巖油氣資源豐富，開發(fā)潛力大，應(yīng)在充分借鑒美國等先行國家經(jīng)驗(yàn)的前提下，堅(jiān)持走“自主創(chuàng)新”道路，制定與中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)際和能源需求相匹配的戰(zhàn)略目標(biāo)，大力推進(jìn)中國頁巖油氣革命，推動(dòng)頁巖油氣大規(guī)模、持續(xù)利用，增強(qiáng)油氣自給能力，實(shí)現(xiàn)中國油氣領(lǐng)域的新跨越。

●孫煥泉

立體開發(fā)是美國第二次頁巖革命成功的關(guān)鍵

頁巖革命起源于美國，該國依靠頁巖革命實(shí)現(xiàn)油氣產(chǎn)量快速增長，從石油進(jìn)口國轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰢瑢?shí)現(xiàn)了能源獨(dú)立。美國是世界上最主要的頁巖油氣生產(chǎn)國，2022年頁巖氣產(chǎn)量7950億立方米，占全球頁巖氣產(chǎn)量的95%，占全美天然氣產(chǎn)量的73%；2022年美國頁巖油產(chǎn)量3.8億噸，占全球頁巖油產(chǎn)量的92%，占美國原油總產(chǎn)量的50.9%。

頁巖革命推動(dòng)全球頁巖油氣產(chǎn)量快速增加，改變了世界能源格局。2022年全球頁巖氣產(chǎn)量8400億立方米、頁巖油產(chǎn)量4.13億噸，頁巖油氣產(chǎn)量當(dāng)量占全球油氣產(chǎn)量的13.65%。

美國已開發(fā)的頁巖油氣區(qū)帶，主要分布在東北部阿巴拉契亞盆地、北部威利斯頓盆地、墨西哥灣沿岸和西南部等地區(qū)，其中以馬塞勒斯、二疊紀(jì)盆地、海因斯維爾、鷹灘、巴肯等為代表的七大頁巖油氣主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量占美國頁巖油氣總產(chǎn)量的90%以上。

美國頁巖油氣開發(fā)始于2005年，共經(jīng)歷了三個(gè)階段、兩次革命。

第一階段為2005~2010年，即第一次頁巖革命。第一次頁巖革命發(fā)起于巴內(nèi)特頁巖氣產(chǎn)區(qū)，包括美國南部的鷹灘、海因斯維爾及東部的馬塞勒斯頁巖氣等主力產(chǎn)區(qū)，主體開發(fā)技術(shù)是“水平井+水力壓裂”。

第二階段為2011~2014年，頁巖革命推動(dòng)美國本土天然氣產(chǎn)量快速增長，天然氣價(jià)格持續(xù)走低，借高油價(jià)契機(jī)，油氣作業(yè)者開始探索使用“水平井+水力壓裂”技術(shù)開采頁巖油，并率先對(duì)美國北部的威利斯頓盆地巴肯頁巖油開展先導(dǎo)性開發(fā)試驗(yàn)和規(guī)模化工業(yè)開發(fā)，隨后擴(kuò)展到對(duì)二疊紀(jì)盆地頁巖油的大規(guī)模開發(fā)。

第三階段為2015年至今，即第二次頁巖革命。2014年國際油價(jià)暴跌并持續(xù)低位運(yùn)行，這期間，美國上百家頁巖油氣公司申請(qǐng)破產(chǎn)。但也有很多頁巖油氣公司加強(qiáng)內(nèi)部運(yùn)營管理，依靠技術(shù)革命性地降低開發(fā)成本、提高單井產(chǎn)量，這其中最重要的舉措就是立體開發(fā)。

通過立體開發(fā)能夠大幅降低開發(fā)成本，大幅提高單井評(píng)估的最終可采儲(chǔ)量（EUR）。同時(shí)，由于政府修訂破產(chǎn)法有效保護(hù)破產(chǎn)企業(yè)，疫情期間美國政府對(duì)企業(yè)進(jìn)行稅收減免扶持，油氣生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)受住了低油價(jià)的沖擊，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成為美國第二次頁巖革命取得成功的重要原因之一。

立體開發(fā)的核心是技術(shù)迭代創(chuàng)新

立體開發(fā)是一種全新的開發(fā)模式。在北美，加拿大能源公司（EnCana）最早提出立體開發(fā)概念。隨后，美國QEP資源公司提出“罐式開發(fā)”，西方石油公司稱為“優(yōu)序開發(fā)”，本質(zhì)上都是立體開發(fā)。

立體開發(fā)首先是理念上的突破創(chuàng)新，其次是技術(shù)和方法上的集成創(chuàng)新，其內(nèi)涵就是：基于頁巖油氣的沉積特征、儲(chǔ)集特點(diǎn)和甜點(diǎn)分布，應(yīng)用優(yōu)快鉆井、體積壓裂技術(shù)，在多維空間改造形成“人工油氣藏”，實(shí)現(xiàn)頁巖油氣開發(fā)的儲(chǔ)量動(dòng)用率、采收率、收益率（3R）最大化。

立體開發(fā)的核心是通過井網(wǎng)設(shè)計(jì)，將有效壓裂縫網(wǎng)由單井的局部尺度拓展到多井乃至整個(gè)油氣田開發(fā)的全局尺度，形成高效經(jīng)濟(jì)的開發(fā)體系，進(jìn)而提高頁巖油氣田的儲(chǔ)量動(dòng)用程度、加速頁巖油氣資源動(dòng)用和提高投資效率，最大限度獲取油氣資源。其中地質(zhì)-工程甜點(diǎn)描述是基礎(chǔ)，縫網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化是關(guān)鍵，工程提速提效是保障。

近年來，立體開發(fā)在美國被廣泛采用。從早期的單層開發(fā)，到2015年開始的兩層開發(fā)，到近年的三層開發(fā)，已經(jīng)在二疊紀(jì)盆地多處試驗(yàn)了小井距4至5層立體開發(fā)，單平臺(tái)16口井成為常態(tài)，二疊紀(jì)盆地超級(jí)井工廠達(dá)5層/64口井。多層樓立體開發(fā)占比持續(xù)增加，以二疊紀(jì)盆地米德蘭次級(jí)盆地為例，2014年單層開發(fā)占72%，到2017年兩層開發(fā)占50%、三層開發(fā)占8%，到2021年兩層開發(fā)占55%、三層開發(fā)占比增加到23%。

立體開發(fā)助力頁巖油氣開發(fā)提速提效

美國頁巖油氣立體開發(fā)模式分為三種，即共同開發(fā)、獨(dú)立開發(fā)和聯(lián)合開發(fā)。

共同開發(fā)是指針對(duì)相鄰甜點(diǎn)層被灰?guī)r或砂巖夾層分隔，但總厚度小于人工裂縫縱向擴(kuò)展高度的頁巖層系，布井時(shí)將多個(gè)儲(chǔ)層視為一層，使用一套井網(wǎng)進(jìn)行改造的開發(fā)模式，其典型代表是馬塞勒斯頁巖。

獨(dú)立開發(fā)是指針對(duì)不同甜點(diǎn)層縱向距離大于人工裂縫縱向擴(kuò)展高度的頁巖儲(chǔ)層，布井方式為不同層單獨(dú)布井、單獨(dú)改造的開發(fā)模式，其典型代表是海因斯維爾頁巖。

聯(lián)合開發(fā)是指針對(duì)相鄰甜點(diǎn)層總厚度大，單獨(dú)改造一層時(shí)裂縫僅能部分?jǐn)U展到相鄰層，布井方式宜采用交錯(cuò)布井的開發(fā)模式，其典型代表是二疊紀(jì)盆地沃夫坎組頁巖、鷹灘頁巖和巴肯頁巖。

從地質(zhì)上來講，雖然美國沉積環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定、分布面積十分廣闊，但實(shí)際的甜點(diǎn)區(qū)卻小得多。美國油氣公司為充分開發(fā)甜點(diǎn)區(qū)資源，普遍采用立體開發(fā)，建立“立體開發(fā)+超級(jí)井工廠”的模式，這種模式由于施工作業(yè)規(guī)模巨大，被稱為頁巖油氣開發(fā)模式中的“猛犸象”。其優(yōu)勢主要在于通過“一次布井、一次完井、立體壓裂”，充分利用人工能量，盡可能實(shí)現(xiàn)縱向、橫向儲(chǔ)量全動(dòng)用，提高采收率。通過提高土地利用率、工廠化作業(yè)、集約化地面集輸模式，實(shí)現(xiàn)全流程降本。

?？松梨诠就ㄟ^采用立體開發(fā)并提高鉆井效率，能夠?qū)傎徺I的先鋒公司的二疊紀(jì)盆地米德蘭次級(jí)盆地頁巖儲(chǔ)層開發(fā)成本降低15%，并額外采出10億桶油當(dāng)量。“立體開發(fā)+超級(jí)井工廠”模式下鉆完井技術(shù)持續(xù)迭代，打出了一批“三超一強(qiáng)”水平井（超長水平段、超級(jí)一趟鉆、超級(jí)井工廠、強(qiáng)化鉆井參數(shù)），效率、效果、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大大提升。美國頁巖油3000米水平段水平井鉆井周期由2011年的34天降至15天，壓裂效率達(dá)到3~5天/口井，新井1~3個(gè)月后就可以轉(zhuǎn)為生產(chǎn)井，頁巖油單井EUR由1.8萬噸上升至5.2萬噸，桶油完全成本由98美元降低至33美元，實(shí)現(xiàn)了效益開發(fā)。2019年美國頁巖油氣主要產(chǎn)區(qū)鉆機(jī)數(shù)僅為2014年的一半，但新井投產(chǎn)數(shù)量沒變、產(chǎn)量變?yōu)?.1倍。立體開發(fā)實(shí)現(xiàn)了頁巖油氣開發(fā)提速提效提產(chǎn)降本，已經(jīng)成為頁巖油氣開發(fā)的主要發(fā)展方向。

我國已成功實(shí)現(xiàn)頁巖氣立體開發(fā)

我國頁巖油氣開發(fā)起步晚，但發(fā)展較快，目前已經(jīng)成為戰(zhàn)略接替領(lǐng)域，先后設(shè)立了長寧-威遠(yuǎn)、涪陵、昭通三個(gè)頁巖氣國家級(jí)示范區(qū)和新疆吉木薩爾、大慶古龍、勝利濟(jì)陽三個(gè)頁巖油國家級(jí)示范區(qū)。2023年我國頁巖氣產(chǎn)量250億立方米，頁巖油產(chǎn)量突破400萬噸。

與北美海相頁巖油氣地質(zhì)條件不同，我國海相頁巖氣地質(zhì)年代老、埋深大、構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力復(fù)雜，儲(chǔ)層無明顯隔層，分層立體開發(fā)難度大；陸相頁巖油沉積厚度大，韻律發(fā)育，縱向和橫向上巖性、含油性、隔層變化快，演化程度低，立體開發(fā)面臨諸多難題。

中國石化在國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的大型海相厚層整裝頁巖氣田——涪陵頁巖氣田，率先開展兩層開發(fā)滾動(dòng)建產(chǎn)、三層開發(fā)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，自主創(chuàng)新建立了頁巖氣儲(chǔ)層精細(xì)描述與建模、立體開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化、密織井網(wǎng)高效鉆井和精準(zhǔn)壓裂與實(shí)時(shí)調(diào)控等技術(shù)，顯著提高了頁巖氣田儲(chǔ)量動(dòng)用率、采收率、收益率，成功實(shí)現(xiàn)了頁巖氣立體開發(fā)。

涪陵頁巖氣田立體開發(fā)井日產(chǎn)氣量占?xì)馓锟偖a(chǎn)量的52.1%，整體采收率從12.6%提高到23.3%，實(shí)現(xiàn)采收率翻番。三層立體開發(fā)井組達(dá)到44.6%，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，支撐涪陵頁巖氣田持續(xù)上產(chǎn)至85億立方米/年。中國石油在四川盆地南部瀘州區(qū)塊深層進(jìn)行頁巖氣立體開發(fā)目標(biāo)優(yōu)選、立體開發(fā)井組試驗(yàn)，認(rèn)為立體開發(fā)可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)量良好動(dòng)用，在威遠(yuǎn)區(qū)塊威202井區(qū)開展了立體開發(fā)探索，在原井網(wǎng)基礎(chǔ)上加密部署3口水平井，對(duì)比老井測試產(chǎn)量和EUR得到顯著提升。立體開發(fā)在涪陵頁巖氣田的成功實(shí)踐和威遠(yuǎn)頁巖氣田的有效探索，為高效開發(fā)頁巖氣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，并展示出良好的應(yīng)用前景，為中國頁巖油氣立體開發(fā)提供了有益借鑒。

我國頁巖油立體開發(fā)尚處于開發(fā)試驗(yàn)階段

目前，國內(nèi)主要頁巖油產(chǎn)區(qū)也在加快推進(jìn)立體開發(fā)試驗(yàn)。勝利濟(jì)陽陸相斷陷湖盆頁巖油國家級(jí)示范區(qū)開展立體開發(fā)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了從單井到井組，從博興洼陷3層樓到牛莊洼陷5層樓、再到民豐洼陷7層樓立體開發(fā)的突破，建成中國石化第一個(gè)十萬噸級(jí)立體開發(fā)試驗(yàn)井組——博興洼陷樊頁平1井組，日產(chǎn)水平達(dá)到313噸/日，已累計(jì)產(chǎn)油15.4萬噸。

大慶古龍頁巖油國家級(jí)示范區(qū)部署了5個(gè)開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)井組和一批控面井，正在試驗(yàn)2層及2層以上的立體開發(fā)布井方式。新疆吉木薩爾頁巖油國家級(jí)示范區(qū)也正探索立體井網(wǎng)工廠化布井，平臺(tái)井?dāng)?shù)達(dá)到3~12口。長慶鄂爾多斯長7段頁巖油采取“大井叢、多層系、立體式”布井方式，建成國內(nèi)陸上最大水平井平臺(tái)——長慶油田華H100平臺(tái)，開展兩層立體開發(fā)試驗(yàn)，部署井位31口。蘇北盆地溱潼凹陷頁巖油目前也正在進(jìn)行立體開發(fā)試驗(yàn)。

借鑒美國頁巖油氣和國內(nèi)頁巖氣立體開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)頁巖油開發(fā)伊始就將立體開發(fā)作為提高效益、降低成本的核心技術(shù)，頁巖油立體開發(fā)展現(xiàn)了良好前景，但由于國內(nèi)陸相頁巖油地質(zhì)條件的復(fù)雜性，立體開發(fā)目前尚處于開發(fā)試驗(yàn)階段，大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用還需要持續(xù)迭代創(chuàng)新。

我國頁巖油氣立體開發(fā)必須走自主創(chuàng)新之路

近年來，我國能源需求日益攀升，油氣對(duì)外依存度高。頁巖油氣作為非常規(guī)油氣的代表，是我國最具戰(zhàn)略意義的接替能源之一，也是未來油氣勘探開發(fā)的重要戰(zhàn)場。據(jù)美國能源信息署（EIA）估算，我國頁巖油技術(shù)可開采量約43.93億噸，居世界第三；據(jù)自然資源部評(píng)價(jià)結(jié)果，我國頁巖氣技術(shù)可采資源量21.8萬億立方米，位居世界前列。高效開發(fā)頁巖油氣資源對(duì)于增強(qiáng)國內(nèi)油氣供應(yīng)能力、保障國家能源安全具有重大意義。

基于我國頁巖油氣的地質(zhì)特點(diǎn)和開發(fā)難點(diǎn)，我們不能完全照搬美國的立體開發(fā)模式，必須走自主創(chuàng)新之路。

在研究上，要樹立立體開發(fā)的非常規(guī)思維，持續(xù)深化立體開發(fā)基礎(chǔ)研究。加強(qiáng)頁巖精細(xì)描述，研究壓力場、應(yīng)力場、滲流場、飽和度場“四場”動(dòng)態(tài)變化，加強(qiáng)建模數(shù)模一體化，支撐全過程開發(fā)優(yōu)化。通過地質(zhì)、油氣藏、工程的基礎(chǔ)研究，創(chuàng)新理念與認(rèn)識(shí)，催生技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)。

在開發(fā)策略上，向整體立體開發(fā)方向發(fā)展。涪陵頁巖氣田壓裂后取心證實(shí)，由于受到下部和中部氣層開發(fā)后引起的低應(yīng)力區(qū)干擾，三層立體開發(fā)的上部氣層水力裂縫密度低于中部和下部，上部氣層裂縫以簡單縫為主，改造效果受到影響。通過整體立體開發(fā)井網(wǎng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒂行毫芽p網(wǎng)由單井拓展到多井乃至整個(gè)氣田，實(shí)現(xiàn)頁巖油氣儲(chǔ)量動(dòng)用率、采收率、收益率最大化。

在技術(shù)創(chuàng)新上，要推進(jìn)技術(shù)迭代升級(jí)。對(duì)比北美，目前國內(nèi)超長水平段鉆井作業(yè)效率、關(guān)鍵工具儀器及技術(shù)指標(biāo)仍存在差距，壓裂技術(shù)參數(shù)和質(zhì)量效益技術(shù)還處于學(xué)跑、跟跑階段，需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，加大分支井鉆完井技術(shù)以及智能壓裂、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、提高采收率等技術(shù)的應(yīng)用力度，持續(xù)優(yōu)化開發(fā)效果。

在組織管理上，要推進(jìn)立體開發(fā)中的工程管理變革。強(qiáng)化立體開發(fā)的逆向設(shè)計(jì)，加強(qiáng)實(shí)時(shí)調(diào)控，建立學(xué)習(xí)曲線，完善非常規(guī)工程技術(shù)指標(biāo)體系，攻關(guān)基于人工智能的頁巖油氣甜點(diǎn)識(shí)別技術(shù)、基于地震協(xié)同導(dǎo)向智能鉆完井技術(shù)、新一代智能采氣技術(shù)，建立智能云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享、智能決策。