中國石油致密油開發(fā)地面工程面臨的挑戰(zhàn)與對策

李慶 王坤 李秋忙 吳浩 徐英俊

（中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院）

0 引言

近年來，致密油已成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一。在當(dāng)前我國能源安全面臨形勢十分嚴(yán)峻的背景下，致密油開發(fā)對改變我國的能源結(jié)構(gòu)、緩解能源供需矛盾、保障能源安全以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義［1］。

中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡稱中國石油）近年在新疆油田的環(huán)瑪湖、長慶油田的長 7、吐哈油田的三塘湖、大慶油田的長垣外圍、吉林油田的乾安、青海油田扎哈泉和西南油氣田的大安塞等區(qū)域均有致密油的重大發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域具有巨大的致密油開采潛力。目前，中國石油致密油的勘探開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展的新階段，在長慶油田的鄂爾多斯盆地和新疆油田的準(zhǔn)噶爾盆地均已展開了規(guī)模開發(fā)和建設(shè)，致密油將成為中國石油今后油田開發(fā)和建設(shè)的主要戰(zhàn)場。

作為非常規(guī)資源，致密油油藏的地質(zhì)條件具有特殊性和復(fù)雜性，給致密油的開發(fā)和生產(chǎn)帶來一定難度，也給地面建設(shè)帶來諸多挑戰(zhàn)。近年來，中國石油雖然在致密油勘探開發(fā)的理論與工程實踐方面取得了較大進(jìn)展，但總體水平與國際先進(jìn)水平還有一定的差距，經(jīng)濟(jì)效益還有待進(jìn)一步提高［2］。

北美是目前全球開發(fā)致密油最成功的地區(qū)，美國和加拿大對致密油的勘探開發(fā)理論認(rèn)識比較全面、技術(shù)研發(fā)相對成熟，是全球?qū)崿F(xiàn)致密油商業(yè)化開采的兩個典型國家。2018年，美國致密油的產(chǎn)量為18.25×108桶，達(dá)到美國原油總產(chǎn)量的74%。

同北美的致密油開發(fā)建設(shè)相比，中國石油致密油的開發(fā)和地面建設(shè)還處于初級階段，在建設(shè)模式、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、工藝技術(shù)等方面依然面臨諸多難題。除了在地質(zhì)、油藏等方面存在較大的差異，美國石油公司所處的社會環(huán)境、公司屬性、管理機(jī)制等方面也與中國石油有較大的不同。因此，美國的致密油開發(fā)地面建設(shè)和管理模式不可完全照搬，但其某些具體技術(shù)和做法具有一定的借鑒意義。

1 中國石油致密油開發(fā)地面建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)

（1）單井產(chǎn)量、氣油比等主要生產(chǎn)參數(shù)波動大且下降迅速，地面設(shè)施建設(shè)規(guī)模確定難。

美國巴肯、鷹灘和二疊紀(jì)盆地等主要致密油產(chǎn)區(qū)2013—2017年新井截至2018年產(chǎn)量遞減情況見圖1（數(shù)據(jù)來源為美國能源信息署，5條曲線自下往上分別為2013—2017年的數(shù)據(jù)）。圖中可見，隨著致密油水平井技術(shù)的發(fā)展，新鉆井的初始產(chǎn)量在不斷增加，但一般在12個月之后便迅速下降并維持在較低產(chǎn)量水平。我國某兩個致密油田的典型油井產(chǎn)量遞減情況見圖2。

由圖1和圖2可以看出，北美的單井產(chǎn)量變化規(guī)律與我國單井產(chǎn)量變化規(guī)律基本類似：生產(chǎn)初期產(chǎn)量波動大，產(chǎn)量迅速上升，達(dá)到峰值后迅速下降，短時間內(nèi)產(chǎn)量下降 50%～80%，之后產(chǎn)量變化趨于平緩。

圖1 美國主要頁巖油產(chǎn)區(qū)油井產(chǎn)量遞減速度

圖2 我國某兩個致密油田的典型油井產(chǎn)量遞減情況

同時，致密油田單井的生產(chǎn)參數(shù)變化也非常大。如，我國某致密油田單井初期氣油比可達(dá)432 m3/t，之后平均每年降低50%左右。

單井產(chǎn)量和產(chǎn)出物氣油比等生產(chǎn)參數(shù)的大幅度變化給地面工程設(shè)計帶來較大的難題。若按照常規(guī)地面工程設(shè)計經(jīng)驗，即，以滿足最大產(chǎn)量作為確定設(shè)計規(guī)模的依據(jù)，則地面設(shè)施的負(fù)荷率將很快大幅度下降，造成設(shè)施因能力過剩而閑置，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。

（2）油品物性差異大，部分油田單管常溫集輸難度大。

國外致密油油品性質(zhì)較好，以輕質(zhì)油、中質(zhì)油和凝析油為主。我國致密油油品性質(zhì)差異較大，如，長慶油田以輕質(zhì)油為主，新疆油田瑪湖區(qū)域和三塘湖區(qū)域則以重質(zhì)油為主。國內(nèi)外典型致密油油藏特征詳見表1。

表1 國內(nèi)外典型致密油油藏特征[3-4]

對于原油密度大、凝固點高的致密油田，如新疆油田和大慶油田，致密油集輸均需要采用加熱集輸工藝，如井口電加熱和摻熱水等工藝。但由于產(chǎn)量快速下降，集輸工藝包括集輸管徑的選擇、電加熱器加熱功率的確定以及摻水系統(tǒng)的配置等，難以很好地適應(yīng)這一致密油生產(chǎn)特征。

而對于原油物性較好的油田，如長慶油田、國外典型油田等，可以采用不加熱集輸，極大地簡化了地面工藝設(shè)施。

（3）采出液組分復(fù)雜，原油凈化難。

致密油開發(fā)采用水力壓裂技術(shù)，針對不同的地質(zhì)情況，甚至同一地質(zhì)情況，采用的壓裂液配方差異較大。大多數(shù)壓裂液成分較為復(fù)雜，典型的壓裂液含有聚合物、胍膠、交聯(lián)劑、防膨劑、破膠液等各種添加劑，具有高穩(wěn)定性、高黏度、高懸浮物含量等特點，給油水乳化和破乳造成一定影響，加大了地面采出液處理的難度。

2 北美地區(qū)致密油開發(fā)地面工程建設(shè)做法

在致密油開發(fā)領(lǐng)域，美國政府注重發(fā)揮中小企業(yè)的作用，鼓勵他們在致密油勘探開發(fā)領(lǐng)域的競爭，因此，美國開發(fā)致密油的一線公司大多為中小企業(yè)，每個公司所擁有的區(qū)塊面積不大，但在油田開發(fā)建設(shè)和管理中非常靈活。一般情況下，開發(fā)商只負(fù)責(zé)開采，集輸和處理分別由管網(wǎng)公司和集中處理中心負(fù)責(zé)。典型做法如下：

（1）“持續(xù)鉆井、井間接替”，區(qū)塊或油田穩(wěn)產(chǎn)時間長

針對單井產(chǎn)量波動大、遞減快的生產(chǎn)特點，北美的致密油開發(fā)公司大多通過持續(xù)鉆井和投產(chǎn)新井，使區(qū)塊致密油的峰值產(chǎn)量能夠保持較長時間基本穩(wěn)定，從而保證地面集輸和處理設(shè)施的能力不會快速過剩。圖3為加拿大巴肯地區(qū)致密油分年產(chǎn)量與投產(chǎn)井?dāng)?shù)，圖4為加拿大肖納文致密油分年產(chǎn)量與投產(chǎn)井?dāng)?shù)。

圖3 加拿大巴肯致密油分年產(chǎn)量與投產(chǎn)井?dāng)?shù)

圖4 加拿大肖納文致密油分年產(chǎn)量與投產(chǎn)井?dāng)?shù)

（2）大量采用橇裝設(shè)備靈活建產(chǎn)，重復(fù)利用提高效益

分離設(shè)備、處理設(shè)備和儲存設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)施均按照橇裝可移動式設(shè)計，便于組裝、拆卸和搬遷，可以根據(jù)致密油的不同開采階段、生產(chǎn)規(guī)模及功能要求，重復(fù)應(yīng)用于不同的站場，提高設(shè)備投資效益。

巴肯某處理中心不同階段的處理設(shè)施設(shè)置見圖5和圖6。其中，圖5為投產(chǎn)初期的處理設(shè)施設(shè)置情況，由于產(chǎn)量較高，設(shè)置了3臺原油處理設(shè)備、18座立式儲油設(shè)備；圖6展示了在產(chǎn)量下降后的遞減平緩階段，處理中心的部分設(shè)施已經(jīng)被移動并重新部署到其他處理中心，保留了1臺原油處理設(shè)備和6座立式儲油設(shè)備。處理設(shè)施通過靈活調(diào)配得到了充分利用。

圖5 巴肯某處理中心投產(chǎn)初期設(shè)施布置

圖6 巴肯某處理中心產(chǎn)量穩(wěn)定期設(shè)施布置

（3）初期采用靈活手段滿足短期生產(chǎn)要求，穩(wěn)定期完善設(shè)施建設(shè)保障長期生產(chǎn)

以巴肯致密油田某井場為例，投產(chǎn)后前8個月（從正常生產(chǎn)始，不包含自噴階段）產(chǎn)液量最高，日最高產(chǎn)液量可達(dá) 2 500桶，產(chǎn)液量達(dá)到峰值后開始迅速下降，穩(wěn)定后每天產(chǎn)液量下降到200桶以下。為節(jié)省井場投資和生產(chǎn)成本，巴肯致密油田在不同生產(chǎn)階段采用不同的運營方式。

考慮到致密油初期產(chǎn)量高、8～12個月后產(chǎn)量迅速遞減的特點，在生產(chǎn)初期采用租賃抽油機(jī)的方式，運行8～12月后產(chǎn)量下降到相對穩(wěn)定時，再購買安裝全新的負(fù)荷較低的抽油機(jī)。這種分階段使用不同的生產(chǎn)設(shè)備的模式，較好地緩解了產(chǎn)量快速遞減給地面生產(chǎn)設(shè)施帶來的不適應(yīng)性問題，同時，也最大程度地節(jié)約了生產(chǎn)成本。

另外，為解決生產(chǎn)初期和快速遞減后產(chǎn)量變化大給地面集輸系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模合理確定帶來的難題，經(jīng)過綜合經(jīng)濟(jì)評價，采用拉油和管網(wǎng)相結(jié)合的地面建設(shè)和生產(chǎn)方案，初期建設(shè)基于汽車?yán)偷呐R時生產(chǎn)設(shè)施，待產(chǎn)液量降低到基本穩(wěn)定后，再建設(shè)集輸管網(wǎng)系統(tǒng)。

3 中國石油致密油開發(fā)地面工程建設(shè)的對策

常規(guī)油氣的開采技術(shù)和地面建設(shè)工藝并不能適應(yīng)非常規(guī)油氣的開采。對于致密油田的開發(fā)和建設(shè)，必須進(jìn)一步突出效益原則，突破常規(guī)經(jīng)驗的束縛，通過思想觀念創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新，用非常規(guī)的管理觀念及技術(shù)，才能實現(xiàn)高效開發(fā)。

3.1 開發(fā)與地面工程協(xié)同優(yōu)化方案

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，建立開發(fā)與工程技術(shù)一體化的工作機(jī)制。開發(fā)向后延伸，地面工程提前介入，注重地下、地面綜合優(yōu)化的開發(fā)和地面建設(shè)理念，解決地面工程建設(shè)同地下資源條件相匹配的問題。

在開發(fā)專業(yè)制定開發(fā)方案過程中，應(yīng)與地面工程專業(yè)一起開展統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)揮中國石油所轄致密油田分布區(qū)域大、油田多的整體優(yōu)勢，通過井間接替和區(qū)塊接替相結(jié)合的方式，處理好總體與局部、規(guī)模與效益的關(guān)系，合理確定區(qū)塊和油田的建設(shè)規(guī)模、峰值產(chǎn)量、穩(wěn)產(chǎn)時間，確保在滿足總體開發(fā)要求的同時，實現(xiàn)綜合效益最大化。

壓裂液的配方設(shè)計需要進(jìn)一步考慮對地面集輸、處理凈化等在難度和成本上的綜合影響，在滿足壓裂需求的同時，種類和配方設(shè)計盡可能有利于簡化地面原油處理工藝。

3.2 地面建設(shè)統(tǒng)籌規(guī)劃，提高設(shè)施重復(fù)利用率

在規(guī)劃設(shè)計階段，以設(shè)施重復(fù)利用為原則，根據(jù)站場的負(fù)荷變化，分區(qū)塊、分油田統(tǒng)籌整個生命周期地面站場的建設(shè)方案，充分開展整列裝置、生產(chǎn)單元、單體設(shè)備的靈活調(diào)配和重復(fù)利用，適應(yīng)不同生產(chǎn)時期、處理規(guī)模及功能的生產(chǎn)要求，提高已建站場負(fù)荷率，減少新建設(shè)施數(shù)量，降低建設(shè)投資。

對整個開發(fā)區(qū)域所涉及的各類站場，如增壓站、接轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站等站場開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，形成規(guī)模系列。站場設(shè)計按照“整列、單元、設(shè)備”等開展模塊化設(shè)計，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接口，便于拆分、搬遷和組裝，為設(shè)施的拆分、更換和重復(fù)利用奠定基礎(chǔ)。

研發(fā)和應(yīng)用適用于致密油開發(fā)的高效一體化集成裝置，進(jìn)一步簡化地面建設(shè)和管理。

3.3 建立完善設(shè)施重復(fù)利用的機(jī)制

目前，重復(fù)利用生產(chǎn)運行過的裝置和設(shè)備，在管理上仍然存在一定的難度，特別是跨廠礦、跨油田公司的調(diào)配應(yīng)用，涉及資產(chǎn)轉(zhuǎn)移、安全評估等問題。建議從集團(tuán)公司和油田公司的層面制定相應(yīng)機(jī)制，有效促進(jìn)致密油田生產(chǎn)設(shè)施的重復(fù)利用，提高整體效益。

3.4 生產(chǎn)設(shè)施先簡單后完善，探索市場化運作機(jī)制

在一定條件下，如果開發(fā)區(qū)域小或難以準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)量的遞減趨勢，建議在產(chǎn)量快速遞減階段采用或租用臨時設(shè)施，待產(chǎn)量基本穩(wěn)定時再建設(shè)相對固定設(shè)施，保證生產(chǎn)設(shè)施的高效性；集輸系統(tǒng)可采用先拉油后建設(shè)完善管網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)路線，以爭取最大的開發(fā)效益。

探索利用專業(yè)化的研發(fā)、制造隊伍和服務(wù)公司，在市場競爭的環(huán)境里，實現(xiàn)致密油開發(fā)效益最大化。如，根據(jù)產(chǎn)量變化，適時租賃抽油機(jī)、分離器、加熱爐、脫水器等生產(chǎn)設(shè)施；也可以將采出水處理、原油穩(wěn)定、輕烴回收等委托第三方負(fù)責(zé)建設(shè)或生產(chǎn)管理。

3.5 合理確定致密油田的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，我國致密油田地面建設(shè)仍然采用常規(guī)油田的設(shè)計和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，地面建設(shè)投資難以控制。建議根據(jù)致密油的開發(fā)特點，借鑒國外建設(shè)經(jīng)驗，注重以經(jīng)濟(jì)適用為原則，合理確定地面工程主體專業(yè)和配套專業(yè)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，提高總體開發(fā)效益。