页岩油革命：美国页岩油发展历程与技术创新

页岩油革命：美国页岩油发展历程与技术创新

页岩革命的本质内涵是科技革命，其突破了页岩不能作为油气储层的传统油气理论束缚，通过认识创新带来水平井多段压裂等技术突破。在市场的引导下，以大幅度提高作业效率、持续提升EUR为标志实现技术升级，再通过“工厂化”、“大数据”和甲方主导的“日费制”等管理创新不断大幅度降低工程成本和提高单井EUR。美国“页岩革命”核心是提高钻完井效率、降低建井成本、提高单井产量，其具有两个关键标志:第一次革命以Barnett盆地页岩气水平井多段压裂技术试验成功为标志，标志井为S.H.Griffin No.4井；第二次革命以大幅度提升作业效率、持续提升EUR为标志，2014年的油气价格“双低”倒逼页岩油气深度优化开发技术和管理模式，引发了新一轮旨在提高钻完井效率、降低建井成本、提高单井产量的革命。

美国页岩油/致密油的发展历程

美国的页岩油发展大致可划分为3个阶段，分别为发现探索阶段、转变思路和技术突破阶段以及快速发展阶段。Bakken页岩油区作为美国页岩油三大主力产区之一具有很大的商业开发价值。Bakken组上段、下段为石英含量较高的页岩，Bakken组中段是Bakken区带页岩油的主力层位，富含石灰质且以砂岩夹层为主，在定义上称之为致密油。

发现探索阶段(1999年以前)

美国的页岩油勘探开发可以追溯至20世纪20年代，在加利福尼亚州San Joaquin等盆地发现了中新统Monterey组裂缝型页岩油藏，该区带也被视为美国最早投入开发的页岩油区带。后来又相继发现了Santa Maria油田、Rose油田等。

从20世纪50年代开始，对Williston盆地Bakken组进行了多轮勘探和开发(表1)，最早的发现是1953年美国北达科他州的Antelope油田，以Bakken组和Three Forks组为目的层。Shell公司在1961年发现了Elkhorn Ranch油田，以上部的Bakken组页岩以及其他古生代地层(上部和下部层位)为目标层位，但Bakken组上段页岩则是在进行以深部奥陶系红河区域为目标层位的深部钻探时发现的次要目的层，钻井揭示Bakken组上段页岩具有很大的储量潜力。

Bakken组上段页岩的第一口水平井(33-11 MOI井)于1987年开钻，水平段长794m，完井获得产量为原油41m3/d和天然气8461m3/d，在开采的前两年产量都很稳定，但仅在裂缝发育区取得了成功；该井的成功钻探揭开了Bakken组上段页岩水平井钻井的新时代，持续到20世纪90年代，有超过20家公司参与了相关的勘探开发活动。随着20世纪90年代油价的显著下降，以及Bakken组上段页岩产量受到时高时低、压力衰减和井间干扰等因素影响，Bakken组重新回到次要勘探开发目的层的状态。

转变思路和技术突破阶段(2000—2008年)

重新确定Bakken组勘探潜力最关键的一口井是1996年钻探的Kelly/ Prospector 2-33 Albin FLB井，该井是为测试Three Forks组及其更深部层位的含油气性而设计的，但没有任何钻探收获，随即又将注意力转移至次要目的层Bakken组中段，并进行了水力加砂压裂，共注入303382L水和68917kg砂，压裂后20d内产油量达24.9m3/d，3个月后产量仍为12.7m3/d。通过对以往100多口井的资料进行重新分析，提出了大油田必存在于该区的新理念，刻画了宽度为6.48.0km、长度为48km的有利区，并定义该有利区为“沉睡的巨型油田”。Bakken组中段的水平井钻井开始于2000年，发现了Elm Coulee油田，对每口水平井均进行了加砂或水力压裂，最初的单井产量为31.8191.0m3/d，估计最终每口井的可采储量为47700~119250m3，估计整个油田的最终可采储量大于3180×104 m3。截至2011年底,该油田完钻水平井已超过4000口。随着水平井和水力压裂技术的成功应用,页岩油产量得以迅速提高。

快速发展阶段(2009年至今)

由于2009年开始美国国内天然气价格持续低迷，因此各公司纷纷转向页岩油领域，Bakken页岩区的作业量和产量快速提升。由于水平井钻井和水力压裂技术的推广以及页岩油勘探开发扩大到其他盆地，美国页岩油正式进入快速发展阶段。以水平井分段压裂技术的应用为标志，页岩油勘探开发工作进一步向其他页岩区拓展，EagleFord、二叠盆地更是后来居上，成为新的页岩油勘探开发热点地区，每年的页岩油新钻井数及单井产量持续攀升，页岩油产量占比迅速增大。根据EIA统计数据，2011年美国页岩油产量首次突破5000×10^4t/a，2012年达1×10^8t/a，2014年达2×10^8t/a，2018年，美国页岩油产量达到了3.2×10^8t/a，占美国石油总产量的58.7%（图1）。据EIA预测，在基准情形下，2040年美国的页岩油产量将达到150.4×104 m3/d，约占美国石油总产量的67.3%。

美国页岩油主要产自Williston盆地Bakken区带、墨西哥湾盆地西部EagleFord区带、二叠盆地Bone Spring和Wolfcamp等区带、Anadarko盆地Woodford区带、丹佛盆地Niobrara区带、Appalachia盆地Marcellus区带以及Fort Worth盆地Barnett区带。其中二叠盆地、Eagle Ford区带和Bakken区带是美国目前三大主力产区。

美国已投入规模开发的页岩油区带主要开发凝析油和挥发油,储层为镜质体反射率Ro为0.75%1.30%的中—高成熟度页岩，区带气油比高、油质轻、压力系数高、流动性好，黑油和干气动用少。EagleFord区带开发井主要部署在Ro为0.85%1.30%的富含液烃区，可有效实现快速上产。

页岩革命的提出与内涵

从已公开发表的文献看，2009年在《Nature》发表的《The shalerevolution》社论提出了“页岩革命”，指出由于水平井钻井及水力压裂技术的进步，美国页岩气得到成功开发，极大缓解了美国天然气供给不足的问题。近年来,学者们从发展历程、工程技术、经济政策等不同角度分析了页岩革命发生的背景、技术创新、社会影响及前景,相关的用词有“unconventional revolution”、“unconventional gas revolution”、“natural gas revolution”、“shale gas revolution”、“oil revolution”、“tight oil- liquids revolution”、“tight oil revolution”、“shale oil revolution”等。

在理论认识方面的标志有：高分辨率扫锚电镜、微纳米CT等技术的应用，发现了有机质纳米孔的分布及连通性；特别是“页岩液烃革命”的提出，突破了“油分子太大不能通过致密页岩储层基质孔”、“油只能产自天然裂缝和井筒附近的人工裂缝，导致生产周期短”、“反凝析作用将损害渗透率，阻碍油滴的流出”等桎梏，提出了页岩地层中存在“微达西流”的假设，通过EagleFord和Barnett区带直井产量双曲递减曲线分析，提出了原油从页岩中裂缝和基质孔产出的假设，从而导致“页岩油时代的来临”。

在技术方面的标志有:Mayerhofer等于1997年发表的《Proppants? We don’t need no proppants》是公认的革命性技术创新代表作。实际上，早在1947年就已发明了“大规模水力压裂”技术(massive hydraulic frac，MHF)，在随后的50年里，不仅各种强大的泵和化学品越来越齐备，而且有着一整套的水力压裂理论体系作为支撑，其核心理念就是“不要破坏储层”。在非常规页岩革命成功的1997—2000年，压裂的技术条件已经完全具备。美国米歇尔能源公司在Barnett页岩先尝试了空气压裂，但没有成功；之后，为了携砂打开支撑裂缝，使用了瓜胶压裂液；为了增加瓜胶压裂液的流动能力，又填加了少量的水。页岩革命关键技术“火花”的出现来源于Mayerhofer等，对低浓度支撑剂的实验，滑溜水压裂技术首先于20世纪90年代中期应用于美国得克萨斯州的Cotton Valley油藏，使用该技术的前提是无需获得高导流能力的裂缝，可直接利用裂缝的自支撑性，满足超低渗透油藏储层改造的需要。在Barnett页岩S.H.Griffin No.4井使用滑溜水压裂进行试验，加砂量降低到原来的1%，水占99%，这使得压裂成本降低了80%，而产量提高了3~5倍，页岩气的非常规滑溜水压裂技术也正式宣告成功。特别要指出的是“页岩气革命之父”George Mitchell的主要成就有:建立了内容超过1981年建立的烃源岩数据库的页岩生产知识库，开发出了不要求开放天然裂缝网络的勘探模型，认识到压裂隔层对页岩成功完井的重要性，对页岩井应用新/老技术使得其具有盈利性。

在储量和产量方面的标志有：美国页岩革命成功的标志是在20世纪90年代末期开始大规模页岩油气开发后，在政府的大力支持、大规模的科研投入和强劲的市场需求推动之下，经过近20年时间的发展,实现了大规模商业开发，改变了天然气大规模进口的局面，实现了全面自给自足。2009年,美国以6240×10^8m3/a的天然气产量首次超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国，2015年开始出口天然气；2009年，美国页岩油产量为0.335×10^8t，占原油总产量(2.67×10^8t)的12.53%，扭转了原油总产量下降的趋势；2018年，美国页岩油产量为3.2×10^8t，原油总产量为5.46×10^8t，页岩油产量占比为58.7%，原油产量超越美国的历史峰值(1970年，4.82×10^8t)；2019年,美国基本实现“能源独立”，并超过俄罗斯和沙特成为世界上最大的油气生产国，这在经济、政治、自然与社会等方面给美国带来了深刻的影响。在储量方面,据预测,美国的富烃区带蕴藏63.6×10^8m3原油,90.63×10^8m3液化天然气，8.4 951×10^12m3干气。跟据EIA的报告，页岩油为美国增加了21%的2P（技术可采,未证实）可采储量，38%的页岩气2P储量（图2）；同时，世界上32%的天然气资源主要集中于页岩中，10%的石油资源在页岩或致密地层中。

在社会效益方面的标志有：美国页岩气产量获得巨大突破，该突破对国际天然气市场有重要影响。页岩气革命在于天然气行业与美国政府之间持续的合作所带来的技术创新，以及水平井加大规模多阶压裂技术的应用，Haynesville、Barnett、Marcellus、Fayetteville、Woodford 5个页岩气区产量占美国天然气总产量的80%，EagleFord、Bakken和Permian区带占美国致密油（页岩油）产量的81%，成为可持续发展的能源。采用以水平井开发为主、以大规模体积压裂提高采收率的钻井、压裂技术革新，有数量充足的钻机和熟练的技术工人，美国从一个原油进口国实现了原油自给自足，进一步实现了原油出口。页岩革命进入了一个新的阶段，页岩油开采发展到北美以外的地区。页岩油影响了全球原油市场与油价，页岩油的发展潜力及对于美国经济的影响以及革命对于实现美国能源独立都具有重要意义。页岩革命是石油、天然气领域科技进步的一个典型例子，在以往认为不能开采的地层中产出了巨量的碳氢化合物。目前世界生产的石油比以往的任何时候都要多，已探明的石油储量足以满足人类55年的消费，且这个数字还在持续增长中。

总体上讲，北美“页岩革命”的背景是在充满压力的外界环境下（如常规油气资源枯竭、国际油价居高不下、美国全国年耗油量逐渐攀升等），油气公司通过一系列技术革新、管理革新，转向非常规能源并实现了页岩油气的效益开发与产业链升级。页岩革命的本质内涵是科技革命，其突破了页岩不能作为油气储层的传统油气理论束缚，通过认识创新带来水平井多段压裂等技术突破。在市场的引导下，以大幅度提高作业效率、持续提升EUR为标志实现技术升级，再通过“工厂化””、“大数据”和甲方主导的“日费制”等管理创新不断大幅度降低工程成本和提高单井EUR。美国“页岩革命”核心是提高钻完井效率、降低建井成本、提高单井产量，其具有两个关键标志:第一次革命以Barnett盆地页岩气水平井多段压裂技术试验成功为标志，标志井为S.H.Griffin No.4井；第二次革命以大幅度提升作业效率、持续提升EUR为标志，2014年的油气价格“双低”倒逼页岩油气深度优化开发技术和管理模式，引发了新一轮旨在提高钻完井效率、降低建井成本、提高单井产量的革命。