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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)驗的前提下，堅持走“自主創(chuàng)新”道路，制定與中國經(jīng)濟發(fā)展實際和能源需求相匹配的戰(zhàn)略目標，大力推進中國頁巖油氣革命，推動頁巖油氣大規(guī)模、持續(xù)利用，增強油氣自給能力，實現(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現(xiàn)油氣產(chǎn)量快速增長，從石油進口國轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰢?，實現(xiàn)了能源獨立。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，頁巖革命推動美國本土天然氣產(chǎn)量快速增長，天然氣價格持續(xù)走低，借高油價契機，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)試驗和規(guī)?；I(yè)開發(fā)，隨后擴展到對二疊紀盆地頁巖油的大規(guī)模開發(fā)。

第三階段為2015年至今，即第二次頁巖革命。2014年國際油價暴跌并持續(xù)低位運行，這期間，美國上百家頁巖油氣公司申請破產(chǎn)。但也有很多頁巖油氣公司加強內(nèi)部運營管理，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，大幅提高單井評估的最終可采儲量（EUR）。同時，由于政府修訂破產(chǎn)法有效保護破產(chǎn)企業(yè)，疫情期間美國政府對企業(yè)進行稅收減免扶持，油氣生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)受住了低油價的沖擊，實現(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、儲集特點和甜點分布，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”，實現(xiàn)頁巖油氣開發(fā)的儲量動用率、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，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油氣田開發(fā)的全局尺度，形成高效經(jīng)濟的開發(fā)體系，進而提高頁巖油氣田的儲量動用程度、加速頁巖油氣資源動用和提高投資效率，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)在二疊紀盆地多處試驗了小井距4至5層立體開發(fā)，單平臺16口井成為常態(tài)，二疊紀盆地超級井工廠達5層/64口井。多層樓立體開發(fā)占比持續(xù)增加，以二疊紀盆地米德蘭次級盆地為例，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)、獨立開發(fā)和聯(lián)合開發(fā)。

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

獨立開發(fā)是指針對不同甜點層縱向距離大于人工裂縫縱向擴展高度的頁巖儲層，布井方式為不同層單獨布井、單獨改造的開發(fā)模式，其典型代表是海因斯維爾頁巖。

聯(lián)合開發(fā)是指針對相鄰甜點層總厚度大，單獨改造一層時裂縫僅能部分擴展到相鄰層，布井方式宜采用交錯布井的開發(fā)模式，其典型代表是二疊紀盆地沃夫坎組頁巖、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，但實際的甜點區(qū)卻小得多。美國油氣公司為充分開發(fā)甜點區(qū)資源，普遍采用立體開發(fā)，建立“立體開發(fā)+超級井工廠”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，盡可能實現(xiàn)縱向、橫向儲量全動用，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，實現(xiàn)全流程降本。

埃克森美孚公司通過采用立體開發(fā)并提高鉆井效率，能夠?qū)傎徺I的先鋒公司的二疊紀盆地米德蘭次級盆地頁巖儲層開發(fā)成本降低15%，并額外采出10億桶油當量。“立體開發(fā)+超級井工廠”模式下鉆完井技術(shù)持續(xù)迭代，打出了一批“三超一強”水平井（超長水平段、超級一趟鉆、超級井工廠、強化鉆井參數(shù)），效率、效果、技術(shù)經(jīng)濟指標大大提升。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，壓裂效率達到3~5天/口井，新井1~3個月后就可以轉(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，實現(xiàn)了效益開發(fā)。2019年美國頁巖油氣主要產(chǎn)區(qū)鉆機數(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、涪陵、昭通三個頁巖氣國家級示范區(qū)和新疆吉木薩爾、大慶古龍、勝利濟陽三個頁巖油國家級示范區(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)首個實現(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)滾動建產(chǎn)、三層開發(fā)評價試驗，自主創(chuàng)新建立了頁巖氣儲層精細描述與建模、立體開發(fā)技術(shù)政策優(yōu)化、密織井網(wǎng)高效鉆井和精準壓裂與實時調(diào)控等技術(shù)，顯著提高了頁巖氣田儲量動用率、采收率、收益率，成功實現(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)氣量占氣田總產(chǎn)量的52.1%，整體采收率從12.6%提高到23.3%，實現(xiàn)采收率翻番。三層立體開發(fā)井組達到44.6%，達到國際領(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)塊深層進行頁巖氣立體開發(fā)目標優(yōu)選、立體開發(fā)井組試驗，認為立體開發(fā)可實現(xiàn)儲量良好動用，在威遠區(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踐和威遠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，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)試驗階段

目前，國內(nèi)主要頁巖油產(chǎn)區(qū)也在加快推進立體開發(fā)試驗。勝利濟陽陸相斷陷湖盆頁巖油國家級示范區(qū)開展立體開發(fā)試驗，實現(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十萬噸級立體開發(fā)試驗井組——博興洼陷樊頁平1井組，日產(chǎn)水平達到313噸/日，已累計產(chǎn)油15.4萬噸。

大慶古龍頁巖油國家級示范區(qū)部署了5個開發(fā)先導(dǎo)試驗井組和一批控面井，正在試驗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示范區(qū)也正探索立體井網(wǎng)工廠化布井，平臺井數(shù)達到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——長慶油田華H100平臺，開展兩層立體開發(fā)試驗，部署井位31口。蘇北盆地溱潼凹陷頁巖油目前也正在進行立體開發(fā)試驗。

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，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)自然資源部評價結(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)頁巖油氣資源對于增強國內(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)特點和開發(fā)難點，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。加強頁巖精細描述，研究壓力場、應(yīng)力場、滲流場、飽和度場“四場”動態(tài)變化，加強建模數(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)新理念與認識，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，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，能夠?qū)⒂行毫芽p網(wǎng)由單井拓展到多井乃至整個氣田，實現(xiàn)頁巖油氣儲量動用率、采收率、收益率最大化。

在技術(shù)創(chuàng)新上，要推進技術(shù)迭代升級。對比北美，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，需要加強技術(shù)創(chuàng)新，加大分支井鉆完井技術(shù)以及智能壓裂、動態(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，要推進立體開發(fā)中的工程管理變革。強化立體開發(fā)的逆向設(shè)計，加強實時調(diào)控，建立學(xué)習(xí)曲線，完善非常規(guī)工程技術(shù)指標體系，攻關(guān)基于人工智能的頁巖油氣甜點識別技術(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，實現(xiàn)實時共享、智能決策。