應用學習曲線實現非常規油氣規模有效開發

王志剛

中國石油化工股份有限公司

技術與成本是制約非常規油氣資源規模開發的關鍵因素。從2010年開始，中國石油化工股份有限公司（以下簡稱中國石化）將“突破非常規”作為重中之重的發展戰略，以學習曲線理論為指導，邊引進學習、邊應用提升，不斷推進技術進步、降低開發成本，實現了非常規油氣的規模有效開發。

1 應用學習曲線推動非常規油氣藏開發的背景

1.1 開發非常規油氣資源對提高我國能源安全保障程度具有戰略意義

石油和天然氣是關系到國家安全的重要戰略物資。2013年我國原油凈進口量達2.82×108t，同比攀升4.03%，石油對外依存度達到58.1%；天然氣凈進口量為530×108m3，同比大增25%，對外依存度達到31.6%。預計2014年我國石油需求量增速將在4%左右，達到5.18×108t，凈進口量將達3.04×108t，石油對外依存度將達到58.8%；天然氣進口量也將繼續高速增長18.9%，達到630×108m3［1］。面對全球多變的經濟形勢和越來越重要的環境論題，我國油氣供應安全面臨嚴峻挑戰，必須適時調整能源戰略，加大非常規油氣資源開發力度，增加能源自給率、提高能源獨立性［2］。

我國非常規油氣資源豐富。根據2008年對全國非常規油氣資源進行的初步評價結果，我國的石油可采資源量超過160×108t，天然氣可采資源量超過20×1012m3［3］。如果這些資源能得到有效開發，將改變我國油氣生產和能源供應格局，極大地提高油氣自主供給能力。

1.2 開發成本高是制約非常規油氣有效開發的關鍵因素

非常規油氣藏具有獨特的地層特征、構造特征、儲層特征和油氣藏特征，必須采用非常規的鉆井工藝、大規模分段壓裂等技術，才能將地下的油氣開采出來。與常規油氣田開發相比，開發非常規油氣資源工程技術要求高、鉆井壓裂投資大。

中國石化非常規油氣資源主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣等盆地，地層條件和地面條件總體較差，工程成本較高。例如，四川盆地川東北地區為頁巖氣成藏最有利的地區之一，但地處山區、地面條件差，氣層埋藏較深（一般超過3 000m），地層條件復雜，鉆井成本高。隨著近幾年先進鉆井、壓裂等技術的引進和試驗，油氣工程技術已經取得了較大進步和發展，目前制約非常規油氣資源開發的問題主要取決于經濟性，也就是說在努力提高單井產量的同時，有效降低工程成本是實現非常規油氣藏規模有效開發的重要途徑。

1.3 北美應用學習曲線推動非常規油氣資源開發的啟示

以美國為代表的北美地區在過去的20多年中，在非常規油氣藏描述技術、鉆完井技術、環境保護技術等方面取得了一系列突破，非常規油氣開發取得了翻天覆地的變化。依靠持續不斷的技術進步與管理革新，學習曲線效應推動其非常規油氣產量呈指數型增長，降低了非常規油氣藏鉆井周期、鉆井成本、壓裂成本（圖1）。美國Barnett油田用了28年的時間，頁巖氣產量才達到27×108ft3／d（1ft3＝0.028 316 8m3，下同），而Fayetteville油田，通過學習曲線的應用，僅用了6年時間，頁巖氣產量就達到了27×108ft3／d（圖2）。由此可見，學習曲線加速了非常規油氣的開發進程。

頁巖氣開發技術轉移也拉開了美國致密油革命的序幕。2005年，美國Bakken油田開始利用水平井和多級壓裂技術開發致密油，2007年致密油產量達到10×104bbl／d（1bbl＝158.98L，下同），2009年增加到25×104bbl／d，2010已達到40×104bbl／d。據劍橋能源預測，Bakken油田致密油可采儲量超過170×108bbl油當量，比美國最大油田Prudhoe Bay油田的儲量還要多。預計2016—2018年，Bakken油田致密油產量將能夠達到80×104bbl／d，最高產量可望達到200×104bbl／d。得益于非常規油氣資源開發，2011年美國國內石油產量達到近10年來的最高水平，天然氣產量更是創造了歷史新高，并且使得美國歷經60年后再度成為石油產品凈出口國，目前美國已經成為全球第三大油氣生產國。據BP《世界能源展望報告》預測，美國到2030年有望基本實現能源自給。

按照美國的學習曲線，非常規油氣開發初期的成本處于最高水平，當技術水平提升和實踐經驗積累達到一定的程度，成本必定下降。中國石化非常規油氣開發剛起步不久，尚處于學習曲線的起始階段，需要高度重視研究學習規律，尋求學習曲線加速效應，加快技術進步、成本下降、產量上升的進程。

2 應用學習曲線推動非常規油氣開發的主要做法

學習曲線（Learning Curve）又稱熟練曲線、經驗曲線，它反映的是在大量生產周期中，隨著累積產量的增加，產品單位工時逐漸下降的生產規律［4－7］。學習曲線反映出的這一生產規律稱為學習效應，是通過學習、練習不斷積累經驗，持續調整、優化的結果［8］。學習效應最早產生于飛機制造業，在石油、化工、合成橡膠等行業都發現了類似的學習現象［9］。影響學習效應的因素主要包括操作熟練程度、技術工藝、工具設備、方案設計、原料供應、專業分工和組織管理等。

圖1 技術進步與成本下降示意圖

圖2 頁巖氣開發學習效應示意圖

2.1 學習曲線應用的路徑和特點

中國石化在非常規油氣藏開發實踐中，以學習曲線理論為指導，在中國石化總部統籌組織下，持續開展鉆井壓裂工程技術優化和工程成本分析，針對影響學習效應的關鍵因素，遞進式優化改進，有效推動了生產效率提升和成本下降。

2.1.1 全員、全過程應用，突出學習曲線在管理中的主線引領作用

學習曲線現象表明，生產中永遠都有潛力可挖，沿著學習曲線改進生產過程不會自動發生，需要整個企業自覺努力改進［4］。中國石化在啟動非常規油氣勘探開發之初，明確提出，要借鑒北美頁巖氣開發經驗，將學習曲線作為一種管理理念、方法、工具運用到工作部署和工程技術試驗優化中，目標是提升單井產量、降低工程成本。在中國石油化工集團公司層面成立了非常規工程技術攻關領導小組，定期召開技術推進會，總結上一輪工程實施的效果、存在的主要問題，提出下一輪重點試驗攻關方向和目標。中國石化所轄分公司層面成立了非常規油氣藏勘探開發會戰組織機構，抓好重點工程實施，不斷優化工藝技術，落實降低工程成本措施。通過學習曲線的推廣與應用，逐步推進非常規油氣開發技術進步和工程成本降低。

2.1.2 分類、分專業應用，突出學習曲線在提速提效中的針對性

中國石化礦權區內的非常規油氣藏包括致密油氣、頁巖油氣兩大類。根據中國石化資源分布情況，按照中淺層致密油氣、深層致密油氣、頁巖油氣3種類型，進行開發管理和生產組織。針對各類型非常規油氣藏的具體特點，圍繞鉆井、壓裂兩個關鍵環節，繪制分段壓裂水平井鉆井工程單位成本、鉆井工程單位進尺投資、千米進尺周期、單段壓裂投資等學習曲線。從技術優化和管理創新兩個方面著手，確定影響每一種類型油氣藏學習效應的關鍵因素，開展綜合分析，提速提效的目標和措施更加具有針對性。

2.1.3 注重建立標準化體系，促進學習曲線效應的發揮

學習曲線效應的核心體現在實踐經驗的積累和傳承。標準體系將實踐經驗進行總結、固化、推廣，能夠有效提升學習效應。啟動非常規油氣開發工作后，中國石化總部組織中國石化石油勘探開發研究院、中國石化石油工程技術研究院以及有關企業共同研究編制了“非常規油氣標準體系與規劃”，按照“統一協調、重點突出、層次適當”的原則，重點對地質勘探、測錄井、鉆井、開發、采油采氣等專業進行標準化體系建設，共納入各級標準805項。非常規油氣標準體系的發布實施，促進了學習效應的發揮，提高了非常規油氣井施工的規范性和安全性，為中國石化非常規油氣開發提供了有力保障。

2.1.4 集體學習、集團化應用，突出學習曲線的經驗共享效應

根據學習曲線理論，當兩個或更多產品分享一個活動或者一種資源的時候，學習效應更強。中國石化在非常規油氣開發中，采取集體學習、集團化應用模式，定期召開非常規鉆井壓裂工程成本專題分析會，9家相關油田企業全部參加，技術與經濟相結合、工藝與定額相結合，多部門、多專業聯合分析，共享工藝優化、成本分析和管理創新成果，以便各單位相互借鑒，將學習曲線的經驗效果在整個公司內推廣應用。

非常規油氣開發初期，為了保證鉆井和壓裂質量，工具、材料、技術服務基本上由國外大型石油工程服務企業提供。在鉆井過程中，為保證地質導向的可靠性，使用國外某公司的FEWD，日費高達5萬元。分段壓裂由國外某公司提供工具和技術服務，單段費用就在500萬元左右。在工作量小的情況下，國外公司服務價格很難壓下來。為此，我們充分發揮集團優勢，將各分公司工作量整體打包招標，由中國石化統一與國外工程服務公司談判。打包后工作量較大，攤薄了外方成本，外方技術服務價格不斷降低。

2.1.5 一體化設計、運行，促進整體學習效應提升

中國石化在非常規油氣開發長水平段水平井分段壓裂設計中，采用多向優化設計流程（圖3）。立足非常規油氣水平井壓裂完井的需求，突破常規鉆井設計中單純強調儲層鉆遇率的思維禁錮，樹立兩級控靶和梯形靶盒理念，在地質設計、鉆井設計、壓裂完井設計等優化中，注重一體化多向優化，使設計參數相互適應、協調統一，提升了整體工作效率。

圖3 非常規油氣井多向優化設計流程圖

按照“一體化”組織、“系統節點”管理、例會運行的模式，加強非常規油氣藏開發現場組織實施。突出抓好4個環節：①排出鉆井壓裂運行大表，強化一體化組織運行，確保實施進度；②強化施工組織協調，明確鉆機運行、壓裂前施工準備、施工組織、后勤保障、效果跟蹤等環節的具體內容和責任部門，統一組織協調推進，確保生產運行暢通；③按照“系統節點”管理法制定單井關鍵環節質量控制要點、技術要求，做好鉆完井、壓裂施工等工程質量控制工作；④實行周例會制度，召開現場運行會，有關分公司組織鉆井、壓裂等施工單位共同分析生產動態、鉆井液性能、地質導向參數、作業運行以及投產情況，把握施工進度和質量，確定下一步運行監督措施。

2.2 應用學習曲線優化鉆井工藝，降低成本

以輪次分析為切入點，將學習曲線應用貫穿于鉆井優化的全過程，落實到設計、材料、管理等具體環節中［10］。以中國石化鄂爾多斯盆地致密油氣藏鉆井為例，學習優化的具體做法如下。

2.2.1 第二輪鉆井

首先總結第一輪鉆井實施情況、問題和潛力，找出影響學習效應的關鍵因素，實施第二輪鉆井時采取了以下3項優化措施：

1）優選工具設備。全井段推廣使用高效PDC鉆頭和高效鉆具組合技術，有效提高機械鉆速及單趟鉆進尺，實現水平段一趟完鉆；采用進口或耐高溫MWD／FEWD儀器，延長井下工作時間。

2）優化井眼軌跡調整技術。采用新型導眼設計方案，提高A點著陸精度，減少控制點，縮短導眼鉆井周期。導眼鉆井段全部回填，降低軌跡控制要求，鉆井施工難度降低，加快了鉆進速度。

3）推廣安全鉆進技術。依托最新石油地球物理勘探成果，水平井部署避開斷層或斷裂帶，避免鉆井液漏失，并優選堵漏材料、優化防漏堵漏方案；優化鉆井液、完井液體系，減少井下坍塌、卡鉆，降低摩阻扭矩，保證水平段鉆井的有效延伸。

2.2.2 第三輪鉆井

在總結分析第二輪鉆井實施效果的基礎上，第三輪鉆井又進一步采取了以下5項優化措施：

1）強化地質與工程結合，進一步優化井身結構。取消四開制，減少三開制，推廣擴大二開制井身結構，減少套管數量、固井工作量，鉆井提速效果明顯。依據中淺層致密油藏地質情況優化水平段長度，將水平段控制在1 200m以內，平均減少水平段長度100 m左右。

2）推廣鉆井提速工藝技術。采用復合鉆進、新型鉆井液、防斜打直、渦輪鉆井、固井等新技術新工藝，實現“四趟鉆”優快鉆井。取消鉆井過程中的中間電測，將固井質量檢測調整到作業施工階段。

3）加大對三維地震資料的利用，減少水平井軌跡調整次數，提高油層鉆遇率，提高水平段日進尺。

4）加強專業協作和自主技術的集成配套。攻關研究隨鉆測井（LWD）、地質導向／三維旋轉鉆井、油基泥漿、水平井固井、分段壓裂工具、壓裂液、支撐劑等單項技術，多專業結合優化設計并推廣應用。

5）結合“井工廠”模式優化生產運行。把油氣藏工程、鉆井、完井、作業投產、地面建設作為一條完整生產鏈來考慮，通過一體化設計、集約化建設、流水線作業，促使各個專業相互融合、科學分工、高效合作，實現規模效益。

2.3 應用學習曲線優化壓裂工藝，降低成本

通過3個輪次的分析、總結、學習，中國石化在中淺層致密油氣、深層致密油氣、頁巖氣領域，壓裂技術不斷發展完善，壓裂工藝不斷優化，壓裂費用持續下降。主要采取了以下3個方面的優化措施：

1）優化壓裂方案。針對每一個油氣田的具體特點，綜合考慮投資、產量、施工難度等因素，通過學習和摸索，確定了合理的壓裂段數、壓裂規模、加砂比例等設計參數，并按單井地質條件改進壓裂液配方，優化壓裂液和支撐劑用量。如優化濟陽坳陷深層致密濁積巖油藏壓裂設計，提高加砂比，每段加砂量比前兩輪增加1.1t／段，在保證壓裂效果的情況下，壓裂液減少69 m3／段。試驗乳液締合型新型壓裂液，在3口水平井中成功應用，壓裂液費用降低了50%。同時，中國石化各分公司強化現場生產組織，合理配置壓裂車組，降低車組費用。

2）對國外壓裂工具和材料公開招標，試驗推廣國產化工具。改進項目招標方式，將過去按單項工程招標改為按年度計劃或總體方案工作量打包招標，增加與外方談判降價的砝碼，國外壓裂工具和技術服務費大幅度持續下降。同時，加快國產自主品牌封隔器、壓裂工具的試驗和推廣步伐，優選使用國產材料替代進口材料，有效降低了壓裂費用。鄂爾多斯盆地致密油藏水平井平均單段壓裂工具費降低了20%以上（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地致密油藏水平井平均單段壓裂工具費用表

3）加大壓裂液回收處理和重復利用工作的力度。非常規水平井分段壓裂需要大量的淡水，現場備水周期長，而壓裂后返排液環保處理難度大、費用高。為了節約用水、降低處理費用，在鄂爾多斯盆地北部工區建設了壓裂液集中配液站，在井場使用軟體罐備液，減少備液罐拉運費和占地面積。同時，在四川盆地川西地區試驗應用了移動式壓裂液處理裝置，實現了壓裂液重復利用。

3 學習曲線應用的成果

中國石化從2012年初啟動非常規油氣資源勘探開發會戰，在鄂爾多斯盆地、四川盆地和我國東部地區進行規模化產能建設。與此同時，跟蹤鉆井壓裂工作量部署，按輪次開展分析和優化，繪制了學習曲線，反映出明顯的學習效果。

3.1 鉆井提速降本效果明顯

3.1.1 中淺層致密油藏（垂深淺于3 000m）

以鄂爾多斯盆地致密油藏分段壓裂水平井為例，第三輪比第一輪鉆井成本降低277元／m，降幅為8%，千米進尺周期縮短0.2d，降幅為1.2%（圖4、表2）。

3.1.2 深層致密油藏（垂深深于3 000m）

以渤海灣盆地濟陽坳陷致密油藏分段壓裂水平井為例，第三輪比第一輪鉆井成本降低1 281元／m，降幅為17%。千米進尺周期縮短7.2d，降幅為29%，平均單井周期減少31.3d（圖5、表3）。

圖4 鄂爾多斯盆地致密油藏鉆井學習曲線圖

表2 鄂爾多斯致密油藏水平井鉆井工程單位投資統計表 元／m

圖5 濟陽坳陷致密濁積巖油藏鉆井學習曲線圖

表3 濟陽坳陷致密油藏水平井鉆井工程單位投資統計表 元／m

3.1.3 中淺層致密氣藏（垂深淺于3 000m）

以鄂爾多斯盆地致密氣藏分段壓裂水平井為例，第三輪較第一輪鉆井成本降低276元／m，降幅為7.4%。千米進尺周期縮短0.6d，降幅為4.1%（圖6、表4）。

3.1.4 頁巖氣藏

四川盆地及周緣頁巖氣分段壓裂水平井，由于不斷優化工藝，鉆機月速度由552m／臺月提高到925 m／臺月，增幅為67.6%；鉆井成本下降20%。

圖6 鄂爾多斯盆地致密氣藏鉆井學習曲線圖

表4 鄂爾多斯盆地致密氣藏水平井鉆井工程單位投資統計表 元／m

3.2 壓裂工程成本持續下降

3.2.1 中淺層致密油藏

以鄂爾多斯盆地致密油藏分段壓裂水平井為例，平均單段壓裂費用明顯降低，第三輪較第一輪降低21.2萬元，降幅為20%，平均單井壓裂工程費用降低203萬元（圖7、表5）。

3.2.2 中淺層致密氣藏

以鄂爾多斯盆地致密氣藏分段壓裂水平井為例，單段壓裂費用呈下降趨勢，第三輪較第一輪降低17萬元，降幅為15%（圖8、表6）。

圖7 鄂爾多斯盆地致密油藏壓裂工程學習曲線圖

表5 鄂爾多斯盆地致密油藏壓裂工程單段投資統計表 萬元／段

圖8 鄂爾多斯盆地致密氣藏壓裂工程學習曲線圖

3.2.3 頁巖氣藏

以四川盆地川東北頁巖氣水平井為例，平均單段壓裂費用下降幅度大，由第一輪的515萬元下降到第三輪的298萬元，降幅為42.1%（圖9、表7）。

4 結束語

學習曲線作為優化載體和管理手段，促進了工藝技術進步和工程成本下降，對加快中國石化非常規油氣資源開發進程發揮了積極的推動作用。通過近幾年的努力，中國石化在頁巖氣勘探開發領域取得了戰略性突破。重慶涪陵焦石壩地區頁巖氣開發項目已正式被列為國家級開發示范區（本期地質勘探欄目專題報道），正在加快實施一期工程年產頁巖氣50×108m3的產能建設，“十三五”有望建設成為百億立方米的頁巖氣生產基地。目前，中國石化已成為中國頁巖氣開發的領跑者。

表6 鄂爾多斯盆地致密氣藏壓裂工程單段投資統計表 萬元／段

圖9 川東北頁巖氣壓裂費用學習曲線圖

致密油氣藏也實現了規模有效開發。2013年，鄂爾多斯盆地致密氣已形成了40×108m3的年產規模，預計“十二五”末將建成50×108m3生產能力；川西地區的致密氣形成了30×108m3的生產規模，“十三五”有望建成50×108m3的生產能力。鄂爾多斯盆地南部致密油實現了規模開發，2014年計劃生產原油60×1 04t。渤海灣盆地濟陽坳陷致密油已達到年產22×104t的生產能力。

表7 川東北頁巖氣壓裂工程單段投資統計表 萬元／段

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