应用学习曲线实现非常规油气规模有效开发

王志刚

中国石油化工股份有限公司

技术与成本是制约非常规油气资源规模开发的关键因素。从2010年开始，中国石油化工股份有限公司（以下简称中国石化）将“突破非常规”作为重中之重的发展战略，以学习曲线理论为指导，边引进学习、边应用提升，不断推进技术进步、降低开发成本，实现了非常规油气的规模有效开发。

1 应用学习曲线推动非常规油气藏开发的背景

1.1 开发非常规油气资源对提高我国能源安全保障程度具有战略意义

石油和天然气是关系到国家安全的重要战略物资。2013年我国原油净进口量达2.82×108t，同比攀升4.03%，石油对外依存度达到58.1%；天然气净进口量为530×108m3，同比大增25%，对外依存度达到31.6%。预计2014年我国石油需求量增速将在4%左右，达到5.18×108t，净进口量将达3.04×108t，石油对外依存度将达到58.8%；天然气进口量也将继续高速增长18.9%，达到630×108m3［1］。面对全球多变的经济形势和越来越重要的环境论题，我国油气供应安全面临严峻挑战，必须适时调整能源战略，加大非常规油气资源开发力度，增加能源自给率、提高能源独立性［2］。

我国非常规油气资源丰富。根据2008年对全国非常规油气资源进行的初步评价结果，我国的石油可采资源量超过160×108t，天然气可采资源量超过20×1012m3［3］。如果这些资源能得到有效开发，将改变我国油气生产和能源供应格局，极大地提高油气自主供给能力。

1.2 开发成本高是制约非常规油气有效开发的关键因素

非常规油气藏具有独特的地层特征、构造特征、储层特征和油气藏特征，必须采用非常规的钻井工艺、大规模分段压裂等技术，才能将地下的油气开采出来。与常规油气田开发相比，开发非常规油气资源工程技术要求高、钻井压裂投资大。

中国石化非常规油气资源主要分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾等盆地，地层条件和地面条件总体较差，工程成本较高。例如，四川盆地川东北地区为页岩气成藏最有利的地区之一，但地处山区、地面条件差，气层埋藏较深（一般超过3 000m），地层条件复杂，钻井成本高。随着近几年先进钻井、压裂等技术的引进和试验，油气工程技术已经取得了较大进步和发展，目前制约非常规油气资源开发的问题主要取决于经济性，也就是说在努力提高单井产量的同时，有效降低工程成本是实现非常规油气藏规模有效开发的重要途径。

1.3 北美应用学习曲线推动非常规油气资源开发的启示

以美国为代表的北美地区在过去的20多年中，在非常规油气藏描述技术、钻完井技术、环境保护技术等方面取得了一系列突破，非常规油气开发取得了翻天覆地的变化。依靠持续不断的技术进步与管理革新，学习曲线效应推动其非常规油气产量呈指数型增长，降低了非常规油气藏钻井周期、钻井成本、压裂成本（图1）。美国Barnett油田用了28年的时间，页岩气产量才达到27×108ft3／d（1ft3＝0.028 316 8m3，下同），而Fayetteville油田，通过学习曲线的应用，仅用了6年时间，页岩气产量就达到了27×108ft3／d（图2）。由此可见，学习曲线加速了非常规油气的开发进程。

页岩气开发技术转移也拉开了美国致密油革命的序幕。2005年，美国Bakken油田开始利用水平井和多级压裂技术开发致密油，2007年致密油产量达到10×104bbl／d（1bbl＝158.98L，下同），2009年增加到25×104bbl／d，2010已达到40×104bbl／d。据剑桥能源预测，Bakken油田致密油可采储量超过170×108bbl油当量，比美国最大油田Prudhoe Bay油田的储量还要多。预计2016—2018年，Bakken油田致密油产量将能够达到80×104bbl／d，最高产量可望达到200×104bbl／d。得益于非常规油气资源开发，2011年美国国内石油产量达到近10年来的最高水平，天然气产量更是创造了历史新高，并且使得美国历经60年后再度成为石油产品净出口国，目前美国已经成为全球第三大油气生产国。据BP《世界能源展望报告》预测，美国到2030年有望基本实现能源自给。

按照美国的学习曲线，非常规油气开发初期的成本处于最高水平，当技术水平提升和实践经验积累达到一定的程度，成本必定下降。中国石化非常规油气开发刚起步不久，尚处于学习曲线的起始阶段，需要高度重视研究学习规律，寻求学习曲线加速效应，加快技术进步、成本下降、产量上升的进程。

2 应用学习曲线推动非常规油气开发的主要做法

学习曲线（Learning Curve）又称熟练曲线、经验曲线，它反映的是在大量生产周期中，随着累积产量的增加，产品单位工时逐渐下降的生产规律［4－7］。学习曲线反映出的这一生产规律称为学习效应，是通过学习、练习不断积累经验，持续调整、优化的结果［8］。学习效应最早产生于飞机制造业，在石油、化工、合成橡胶等行业都发现了类似的学习现象［9］。影响学习效应的因素主要包括操作熟练程度、技术工艺、工具设备、方案设计、原料供应、专业分工和组织管理等。

图1 技术进步与成本下降示意图

图2 页岩气开发学习效应示意图

2.1 学习曲线应用的路径和特点

中国石化在非常规油气藏开发实践中，以学习曲线理论为指导，在中国石化总部统筹组织下，持续开展钻井压裂工程技术优化和工程成本分析，针对影响学习效应的关键因素，递进式优化改进，有效推动了生产效率提升和成本下降。

2.1.1 全员、全过程应用，突出学习曲线在管理中的主线引领作用

学习曲线现象表明，生产中永远都有潜力可挖，沿着学习曲线改进生产过程不会自动发生，需要整个企业自觉努力改进［4］。中国石化在启动非常规油气勘探开发之初，明确提出，要借鉴北美页岩气开发经验，将学习曲线作为一种管理理念、方法、工具运用到工作部署和工程技术试验优化中，目标是提升单井产量、降低工程成本。在中国石油化工集团公司层面成立了非常规工程技术攻关领导小组，定期召开技术推进会，总结上一轮工程实施的效果、存在的主要问题，提出下一轮重点试验攻关方向和目标。中国石化所辖分公司层面成立了非常规油气藏勘探开发会战组织机构，抓好重点工程实施，不断优化工艺技术，落实降低工程成本措施。通过学习曲线的推广与应用，逐步推进非常规油气开发技术进步和工程成本降低。

2.1.2 分类、分专业应用，突出学习曲线在提速提效中的针对性

中国石化矿权区内的非常规油气藏包括致密油气、页岩油气两大类。根据中国石化资源分布情况，按照中浅层致密油气、深层致密油气、页岩油气3种类型，进行开发管理和生产组织。针对各类型非常规油气藏的具体特点，围绕钻井、压裂两个关键环节，绘制分段压裂水平井钻井工程单位成本、钻井工程单位进尺投资、千米进尺周期、单段压裂投资等学习曲线。从技术优化和管理创新两个方面着手，确定影响每一种类型油气藏学习效应的关键因素，开展综合分析，提速提效的目标和措施更加具有针对性。

2.1.3 注重建立标准化体系，促进学习曲线效应的发挥

学习曲线效应的核心体现在实践经验的积累和传承。标准体系将实践经验进行总结、固化、推广，能够有效提升学习效应。启动非常规油气开发工作后，中国石化总部组织中国石化石油勘探开发研究院、中国石化石油工程技术研究院以及有关企业共同研究编制了“非常规油气标准体系与规划”，按照“统一协调、重点突出、层次适当”的原则，重点对地质勘探、测录井、钻井、开发、采油采气等专业进行标准化体系建设，共纳入各级标准805项。非常规油气标准体系的发布实施，促进了学习效应的发挥，提高了非常规油气井施工的规范性和安全性，为中国石化非常规油气开发提供了有力保障。

2.1.4 集体学习、集团化应用，突出学习曲线的经验共享效应

根据学习曲线理论，当两个或更多产品分享一个活动或者一种资源的时候，学习效应更强。中国石化在非常规油气开发中，采取集体学习、集团化应用模式，定期召开非常规钻井压裂工程成本专题分析会，9家相关油田企业全部参加，技术与经济相结合、工艺与定额相结合，多部门、多专业联合分析，共享工艺优化、成本分析和管理创新成果，以便各单位相互借鉴，将学习曲线的经验效果在整个公司内推广应用。

非常规油气开发初期，为了保证钻井和压裂质量，工具、材料、技术服务基本上由国外大型石油工程服务企业提供。在钻井过程中，为保证地质导向的可靠性，使用国外某公司的FEWD，日费高达5万元。分段压裂由国外某公司提供工具和技术服务，单段费用就在500万元左右。在工作量小的情况下，国外公司服务价格很难压下来。为此，我们充分发挥集团优势，将各分公司工作量整体打包招标，由中国石化统一与国外工程服务公司谈判。打包后工作量较大，摊薄了外方成本，外方技术服务价格不断降低。

2.1.5 一体化设计、运行，促进整体学习效应提升

中国石化在非常规油气开发长水平段水平井分段压裂设计中，采用多向优化设计流程（图3）。立足非常规油气水平井压裂完井的需求，突破常规钻井设计中单纯强调储层钻遇率的思维禁锢，树立两级控靶和梯形靶盒理念，在地质设计、钻井设计、压裂完井设计等优化中，注重一体化多向优化，使设计参数相互适应、协调统一，提升了整体工作效率。

图3 非常规油气井多向优化设计流程图

按照“一体化”组织、“系统节点”管理、例会运行的模式，加强非常规油气藏开发现场组织实施。突出抓好4个环节：①排出钻井压裂运行大表，强化一体化组织运行，确保实施进度；②强化施工组织协调，明确钻机运行、压裂前施工准备、施工组织、后勤保障、效果跟踪等环节的具体内容和责任部门，统一组织协调推进，确保生产运行畅通；③按照“系统节点”管理法制定单井关键环节质量控制要点、技术要求，做好钻完井、压裂施工等工程质量控制工作；④实行周例会制度，召开现场运行会，有关分公司组织钻井、压裂等施工单位共同分析生产动态、钻井液性能、地质导向参数、作业运行以及投产情况，把握施工进度和质量，确定下一步运行监督措施。

2.2 应用学习曲线优化钻井工艺，降低成本

以轮次分析为切入点，将学习曲线应用贯穿于钻井优化的全过程，落实到设计、材料、管理等具体环节中［10］。以中国石化鄂尔多斯盆地致密油气藏钻井为例，学习优化的具体做法如下。

2.2.1 第二轮钻井

首先总结第一轮钻井实施情况、问题和潜力，找出影响学习效应的关键因素，实施第二轮钻井时采取了以下3项优化措施：

1）优选工具设备。全井段推广使用高效PDC钻头和高效钻具组合技术，有效提高机械钻速及单趟钻进尺，实现水平段一趟完钻；采用进口或耐高温MWD／FEWD仪器，延长井下工作时间。

2）优化井眼轨迹调整技术。采用新型导眼设计方案，提高A点着陆精度，减少控制点，缩短导眼钻井周期。导眼钻井段全部回填，降低轨迹控制要求，钻井施工难度降低，加快了钻进速度。

3）推广安全钻进技术。依托最新石油地球物理勘探成果，水平井部署避开断层或断裂带，避免钻井液漏失，并优选堵漏材料、优化防漏堵漏方案；优化钻井液、完井液体系，减少井下坍塌、卡钻，降低摩阻扭矩，保证水平段钻井的有效延伸。

2.2.2 第三轮钻井

在总结分析第二轮钻井实施效果的基础上，第三轮钻井又进一步采取了以下5项优化措施：

1）强化地质与工程结合，进一步优化井身结构。取消四开制，减少三开制，推广扩大二开制井身结构，减少套管数量、固井工作量，钻井提速效果明显。依据中浅层致密油藏地质情况优化水平段长度，将水平段控制在1 200m以内，平均减少水平段长度100 m左右。

2）推广钻井提速工艺技术。采用复合钻进、新型钻井液、防斜打直、涡轮钻井、固井等新技术新工艺，实现“四趟钻”优快钻井。取消钻井过程中的中间电测，将固井质量检测调整到作业施工阶段。

3）加大对三维地震资料的利用，减少水平井轨迹调整次数，提高油层钻遇率，提高水平段日进尺。

4）加强专业协作和自主技术的集成配套。攻关研究随钻测井（LWD）、地质导向／三维旋转钻井、油基泥浆、水平井固井、分段压裂工具、压裂液、支撑剂等单项技术，多专业结合优化设计并推广应用。

5）结合“井工厂”模式优化生产运行。把油气藏工程、钻井、完井、作业投产、地面建设作为一条完整生产链来考虑，通过一体化设计、集约化建设、流水线作业，促使各个专业相互融合、科学分工、高效合作，实现规模效益。

2.3 应用学习曲线优化压裂工艺，降低成本

通过3个轮次的分析、总结、学习，中国石化在中浅层致密油气、深层致密油气、页岩气领域，压裂技术不断发展完善，压裂工艺不断优化，压裂费用持续下降。主要采取了以下3个方面的优化措施：

1）优化压裂方案。针对每一个油气田的具体特点，综合考虑投资、产量、施工难度等因素，通过学习和摸索，确定了合理的压裂段数、压裂规模、加砂比例等设计参数，并按单井地质条件改进压裂液配方，优化压裂液和支撑剂用量。如优化济阳坳陷深层致密浊积岩油藏压裂设计，提高加砂比，每段加砂量比前两轮增加1.1t／段，在保证压裂效果的情况下，压裂液减少69 m3／段。试验乳液缔合型新型压裂液，在3口水平井中成功应用，压裂液费用降低了50%。同时，中国石化各分公司强化现场生产组织，合理配置压裂车组，降低车组费用。

2）对国外压裂工具和材料公开招标，试验推广国产化工具。改进项目招标方式，将过去按单项工程招标改为按年度计划或总体方案工作量打包招标，增加与外方谈判降价的砝码，国外压裂工具和技术服务费大幅度持续下降。同时，加快国产自主品牌封隔器、压裂工具的试验和推广步伐，优选使用国产材料替代进口材料，有效降低了压裂费用。鄂尔多斯盆地致密油藏水平井平均单段压裂工具费降低了20%以上（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地致密油藏水平井平均单段压裂工具费用表

3）加大压裂液回收处理和重复利用工作的力度。非常规水平井分段压裂需要大量的淡水，现场备水周期长，而压裂后返排液环保处理难度大、费用高。为了节约用水、降低处理费用，在鄂尔多斯盆地北部工区建设了压裂液集中配液站，在井场使用软体罐备液，减少备液罐拉运费和占地面积。同时，在四川盆地川西地区试验应用了移动式压裂液处理装置，实现了压裂液重复利用。

3 学习曲线应用的成果

中国石化从2012年初启动非常规油气资源勘探开发会战，在鄂尔多斯盆地、四川盆地和我国东部地区进行规模化产能建设。与此同时，跟踪钻井压裂工作量部署，按轮次开展分析和优化，绘制了学习曲线，反映出明显的学习效果。

3.1 钻井提速降本效果明显

3.1.1 中浅层致密油藏（垂深浅于3 000m）

以鄂尔多斯盆地致密油藏分段压裂水平井为例，第三轮比第一轮钻井成本降低277元／m，降幅为8%，千米进尺周期缩短0.2d，降幅为1.2%（图4、表2）。

3.1.2 深层致密油藏（垂深深于3 000m）

以渤海湾盆地济阳坳陷致密油藏分段压裂水平井为例，第三轮比第一轮钻井成本降低1 281元／m，降幅为17%。千米进尺周期缩短7.2d，降幅为29%，平均单井周期减少31.3d（图5、表3）。

图4 鄂尔多斯盆地致密油藏钻井学习曲线图

表2 鄂尔多斯致密油藏水平井钻井工程单位投资统计表 元／m

图5 济阳坳陷致密浊积岩油藏钻井学习曲线图

表3 济阳坳陷致密油藏水平井钻井工程单位投资统计表 元／m

3.1.3 中浅层致密气藏（垂深浅于3 000m）

以鄂尔多斯盆地致密气藏分段压裂水平井为例，第三轮较第一轮钻井成本降低276元／m，降幅为7.4%。千米进尺周期缩短0.6d，降幅为4.1%（图6、表4）。

3.1.4 页岩气藏

四川盆地及周缘页岩气分段压裂水平井，由于不断优化工艺，钻机月速度由552m／台月提高到925 m／台月，增幅为67.6%；钻井成本下降20%。

图6 鄂尔多斯盆地致密气藏钻井学习曲线图

表4 鄂尔多斯盆地致密气藏水平井钻井工程单位投资统计表 元／m

3.2 压裂工程成本持续下降

3.2.1 中浅层致密油藏

以鄂尔多斯盆地致密油藏分段压裂水平井为例，平均单段压裂费用明显降低，第三轮较第一轮降低21.2万元，降幅为20%，平均单井压裂工程费用降低203万元（图7、表5）。

3.2.2 中浅层致密气藏

以鄂尔多斯盆地致密气藏分段压裂水平井为例，单段压裂费用呈下降趋势，第三轮较第一轮降低17万元，降幅为15%（图8、表6）。

图7 鄂尔多斯盆地致密油藏压裂工程学习曲线图

表5 鄂尔多斯盆地致密油藏压裂工程单段投资统计表 万元／段

图8 鄂尔多斯盆地致密气藏压裂工程学习曲线图

3.2.3 页岩气藏

以四川盆地川东北页岩气水平井为例，平均单段压裂费用下降幅度大，由第一轮的515万元下降到第三轮的298万元，降幅为42.1%（图9、表7）。

4 结束语

学习曲线作为优化载体和管理手段，促进了工艺技术进步和工程成本下降，对加快中国石化非常规油气资源开发进程发挥了积极的推动作用。通过近几年的努力，中国石化在页岩气勘探开发领域取得了战略性突破。重庆涪陵焦石坝地区页岩气开发项目已正式被列为国家级开发示范区（本期地质勘探栏目专题报道），正在加快实施一期工程年产页岩气50×108m3的产能建设，“十三五”有望建设成为百亿立方米的页岩气生产基地。目前，中国石化已成为中国页岩气开发的领跑者。

表6 鄂尔多斯盆地致密气藏压裂工程单段投资统计表 万元／段

图9 川东北页岩气压裂费用学习曲线图

致密油气藏也实现了规模有效开发。2013年，鄂尔多斯盆地致密气已形成了40×108m3的年产规模，预计“十二五”末将建成50×108m3生产能力；川西地区的致密气形成了30×108m3的生产规模，“十三五”有望建成50×108m3的生产能力。鄂尔多斯盆地南部致密油实现了规模开发，2014年计划生产原油60×1 04t。渤海湾盆地济阳坳陷致密油已达到年产22×104t的生产能力。

表7 川东北页岩气压裂工程单段投资统计表 万元／段

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