低油價下致密油資源經濟效益評價研究

寧云才，鐘 敏,，魏 漪，王志平，車樹芹

(1.中國礦業大學(北京)管理學院，北京 100083；2. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

經濟研究

低油價下致密油資源經濟效益評價研究

寧云才1，鐘 敏1,2，魏 漪2，王志平2，車樹芹2

(1.中國礦業大學(北京)管理學院，北京 100083；2. 中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

美國致密油采用“水平井+體積壓裂+工廠化”模式實現了工業化開采，我國致密油開發總體上仍處于準備階段。在致密油開發的核心技術中，水平井加體積壓裂是提升致密油產量的利器。這意味著相比常規石油，致密油的單井投資更為高昂。在低油價下，油氣田開發企業的生產經營陷入困境。在成本制約下，致密油開發的經濟效益評價至關重要，而壓裂水平井水平段的優化設計尤為關鍵。由致密油壓裂水平井全生命周期產能預測模型計算出單井產油量，利用折現現金流量法評價水平井鉆井壓裂過程中水平段長度和壓裂級數對經濟效益的影響，得出存在相對最佳的水平段長度和壓裂級數范圍使得單井經濟效益達到最優。實際制訂水平井開發方案時，應考慮單井產量、投資、成本和效益的綜合影響，制訂最優開發方案。

低油價；致密油；經濟效益評價；產能預測；凈現值；內部收益率

致密油屬于非常規油氣，全稱致密儲層油。與常規石油相比，致密油具有超低的滲透率，開采此類資源需要進行水力壓裂改造，通過長水平段鉆井加多級水力壓裂，實現泄油面積最大化，從而提升單井產量。致密油是未來能源領域最重要的接續利用資源之一[1]。美國致密油的革命性發展已逾十年[2]，根據2014年度美國能源署(EIA)的年度能源展望，該報告預測美國的致密油技術可采資源量達到590億桶，位列全球排名第二，僅次于俄羅斯。通過推廣頁巖氣技術以及管理上的創新，美國致密油采用“水平井+體積壓裂+工廠化”模式實現了工業化開采[3]。目前我國致密油開發總體上仍處于準備階段[4]。

美國致密油的成功開發建立在以甜點區評價與優選和提高單井產量為目標的地震預測、測井評價、水平井鉆探和體積壓裂等4項關鍵配套技術[5]。其中水平井加體積壓裂技術是提升致密油產量的利器[6]。

自2014年年末以來，國際油價下跌速度之快和幅度之大在市場預期之外[7]。相比常規石油，致密油儲層因其自身特點，必須采用“水平井+體積壓裂”技術實現開采，這意味著單井投資更為高昂。即使是在高油價下，政府的扶持或補貼政策仍發揮著關鍵作用[8]。低油價下油氣田開發企業的生產經營陷入困境，對于非常規油氣資源開發的投資決策將更為謹慎。在成本制約下，致密油開發的經濟效益評價至關重要。致密油開發單井投資中鉆井、壓裂投資的構成是基于水平段的長度、壓裂級數和壓裂液使用量等。這說明水平段長度和壓裂級數范圍的選取對致密油井的產量高低及經濟效益起著決定性作用，故研究水平段長度和壓裂級數對致密油開發的技術經濟影響尤為必須。

1 經濟效益評價參數和方法

1.1 經濟效益評價參數

采用折現現金流量法對致密油開發進行經濟效益評價，選取經典指標凈現值(NPV)和內部收益率(IRR)來評價致密油開發的經濟效益。作為一種動態評價方法，凈現值(NPV)和內部收益率(IRR)在充分考慮資金時間價值的基礎上，來考察評價期內項目的可行性，經濟意義直觀且明確。

凈現值(NPV)的表達式見式(1)。

(1)

式中：NPV為致密油井按設定的折現率計算的項目計算期內凈現金流量的現值之和，NPV≥0時，方案經濟有效，否則沒有效益；CI為項目計算期內致密油井的凈現金流入；CO為項目計算期內致密油井的凈現金流出；t為評價期，本文取t=15年；i0為設定的折現率。

其中，CI主要包括致密油的銷售收入、政府補貼收入、回收固定資產余值和回收流動資金等。致密油的銷售收入可按式(2)計算。

Rt=qt×f×p

(2)

式中：Rt為第t年致密油的銷售收入；qt為第t年致密油的產量；f為原油商品率；P為油價。

CO則主要包括投資、流動資金現金流出、經營成本和稅費等。

內部收益率(IRR)是指致密油開發項目在計算期內凈現值累計為零時的折現率，即資金流入現值總額與資金流出現值總額相等、凈現值等于零時的折現率。

內部收益率(IRR)的表達式見式(3)。

(3)

IRR≥i0，則項目經濟有效，否則應予否定。

進行上述分析時需要投資、費用、效益、油價和稅率等參數值。投資可概括為鉆井投資(包括垂深段及水平段)、壓裂投資(隨壓裂級數增加而增加)、地面工程投資等，費用概括為操作成本等。上述數據取值根據油田實際取平均值，致密油開發經濟效益評價所需參數基礎數據如表1所示。

表1 致密油開發經濟效益評價所需參數基礎數據

1.2 致密油產能預測

作為經濟效益評價的重要輸入值，產量是油氣田企業長遠發展的最終落腳點，有產量才能談效益。尤其在低油價環境下，經濟評價要將產量評價融入其中，發掘產量、成本與油價三因素互動的內在規律，構建反映投資、產量、成本和效益四因素聯動關系的低成本運營新模式[9]。

致密油藏發育納米、微米和毫米級多尺度的孔縫介質，儲層結構復雜，孔喉細微，基質儲層物性差。通過對致密油儲層的產能動態曲線進行統計回歸，在體積壓裂模式下，致密油壓裂水平井生產動態整體表現為“初期高產、過渡期遞減和后期穩產低產”的特征[10]，不同階段具有不一樣的滲流特點。在生產的初期階段，單井產量高，但產量遞減很快，高產期較短；過渡期階段介于初期和后期階段之間，產量遞減率低于初期；后期階段則表現為產量低，但遞減較慢，基本保持穩產，且穩產期長。致密油儲層需采用“水平井長水平段+體積壓裂”開發模式提高單井產量。體積壓裂后，儲層滲流場發生很大改變，儲滲模式由單一孔隙滲流轉變為基質-裂縫耦合滲流，滲流機理極為復雜。產能受儲層油藏條件、滲流機理、工藝技術等多因素影響，產能控制因素多，水平井產量差異大。在考慮致密油多尺度、多介質、多流態耦合特征及復雜非線性滲流機理基礎上，建立致密油單井全生命周期產能預測模型，并研發出致密油產能預測軟件。本文利用該軟件重點分析水平井鉆井壓裂過程中水平段長度和壓裂級數對致密油壓裂水平井產能的影響。

1.3 經濟效益評價方法

利用長慶油田致密油區塊的平均地質參數和人工裂縫參數，選取不同的水平段長度和壓裂級數，采用致密油產能預測軟件，來獲得不同鉆井和壓裂施工參數下的單井產油量。

第一步，將輸入參數定為儲層參數(地層壓力、儲層厚度、基質滲透率和孔隙度等)、流體參數(地層原油黏度、地面原油密度等)、水平井參數(井筒半徑、井底流壓、水平井長度、壓裂級數等)、工藝參數(裂縫半長、裂縫寬度、裂縫間距、裂縫滲透率、完井方式等)。

第二步，根據以上參數利用致密油產能預測軟件考察不同水平段長度和壓裂級數對產能的影響，水平段長度和壓裂級數的改變會同時改變單井產量和單井投資。

第三步，利用折現現金流量法分析方案的現金流，計算NPV和IRR，評價經濟效益。

2 水平段長度對致密油經濟效益的敏感性分析

水平井與直井相比，可提高油井與儲層的接觸面積，致密油水平井技術致力于提高單井產量和EUR(Estimated Ultimate Recovery)——估算最終儲量，水平段長度可高達4 000 m以上。水平段長度直接影響著油井的單井產能，合理的水平段長度能形成有效的驅替系統，從而提高動用程度，增大儲量控制體積，產生較大的泄油區，進而最大限度的提高單井產能，并獲得較高的采收率[11]。但水平井鉆井成本高且難度大，增加水平段長度會同時增加生產成本以及施工難度。因此，實際制訂水平井開發方案時，需要優選一個最佳的水平井段長度，在成本制約下滿足生產要求。

2.1 水平段長度與單井產量關系

根據致密油復雜的儲層特征和滲流機理，推導出反映致密油壓裂水平井全生命周期的產能預測模型。根據區塊內儲層參數和工程參數，結合實際生產數據，利用產能預測模型對歷史生產數據進行擬合，對參數予以優化。利用完善后的儲層參數、流體參數、水平井參數和工藝參數來預測壓裂水平井的產量。產能預測模型輸入基礎數據表如表2所示。

表2 致密油壓裂水平井產能模型輸入基礎數據表

實際生產中增加致密油井水平段長度的目的是為了增加壓裂級數，在人工裂縫段間距不變的條件下，隨著水平段長度的增加，壓裂級數會隨之增加。利用上表的地質參數和人工裂縫參數，分別選取水平段長度L=500～4 000 m(步長為500 m)，利用致密油產能預測軟件計算出評價期內不同水平段長度下水平井的日產油量及累產油量。其中水平段長度取值軟件截圖如圖1所示。

圖1 水平井段長度取值范圍

圖2 不同水平段長度與日產量曲線

圖3 不同水平段長度與評價期內累產量曲線

壓裂水平井評價期內單井初期產油和累產油與水平段長度的關系如圖2和圖3所示。從圖中可以發現致密油壓裂水平井的初期產量和累積產量都會隨著水平井水平段長度的增加而增加。當水平段長度從1 000 m增加到2 000 m時，水平井的初期產量從16.43 t/d增加到31.36 t/d；評價期內水平井累積產量從1萬t增加到1.9萬t，產量增加到原來的1.9倍。且水平段長度越短，日產量的遞減速度越快，累產量越低；水平段長度越長，日產量增加，產量遞減幅度減緩，累產量增加。

在其他參數保持不變的前提下，選擇不同的水平段長度來預測單井日產量及累產量，水平段長度與日產量和評價期內累產量的散點圖如圖4和圖5所示。由致密油產能預測模型計算結果得出，在段間距和人工裂縫長度不變的條件下，隨著水平井長度和壓裂級數的增加，儲層基質和裂縫的接觸面積增大，水平井的初期產量和累計產量與水平段長度都呈近似的線性增長關系。

圖4 單井初期日產量與水平段長度的關系

圖5 評價期內單井累產量與水平段長度的關系

低油價下，單井的產量指標至關重要，但油氣田企業更應注重的是能獲取經濟效益的產量，具有單井經濟效益的產量才是油氣田企業長遠發展的根本。

2.2 水平段長度與單井投資關系

壓裂水平井的投資主要由鉆井投資、壓裂改造投資、地面工程與其他投資三大部分構成。鉆井投資主要發生在鉆井過程中，包括垂深段及水平段。隨著水平井水平段長度的變長，鉆井周期增加，長水平段下軌跡控制難度加大，對鉆井配套設備的要求也不段提升，鉆井投資相應增加。壓裂投資主要發生在壓裂完井過程中，隨著水平井水平段長度變長，壓裂級數增加，壓裂設備與材料使用量增加，壓裂投資隨之提升。地面及其他投資主要包括地面各種設備設施及其他相關費用，其與水平段長度無直接關系，投資額相對固定。

水平段長度及壓裂級數的增加會帶來水平井單井總投資的大幅增加，由圖6可以看出，單井總投資與水平段長度呈近似線性增長關系。

圖6 單井總投資與水平段長度的關系

2.3 水平段長度與單井效益關系

根據單井產量與單井投資的研究結果，采用油氣開發項目通用的折現現金流量法，當評價油價P為40美元/桶、60美元/桶和80美元/桶時，NPV、IRR與水平段長度的關系分別如圖7～9所示。

圖7 油價為40美元/桶時NPV和IRR與水平段長度的關系

圖8 油價為60美元/桶時NPV和IRR與水平段長度的關系

當油價為40美元/桶時，不同水平段長度下單井的NPV和IRR均為負值。可見，在低油價下，致密油水平井不具備開發效益。當油價為60美元/桶和80美元/桶時，NPV與水平段長度呈近似線性增長關系；而IRR隨著水平段長度的遞增而遞增，且增幅逐漸減小。三種評價油價下，IRR與水平段長度的關系如圖10所示。從圖10中可以看出，不同油價下的IRR變化規律基本一致，都是隨著水平段長度變長而逐漸遞增，而增幅逐漸減小。且隨著水平段長度的增加，油價越高，IRR增長得越快，說明油價是致密油開發效益的高度敏感因素。

圖9 油價為80美元/桶時NPV和IRR與水平段長度的關系

圖10 不同油價下IRR與水平段長度的關系

3 壓裂級數對致密油經濟效益的敏感性分析

體積壓裂通過水力壓裂對儲層實施改造，水力壓裂利用水平鉆井技術在垂直天然裂縫方向上鉆出水平段之后，借助體積壓裂改造工藝，使天然裂縫與人工裂縫互相交織，形成十分復雜的裂縫網絡，從而擴大SRV(Stimulated Reservoir Volume)——改造油藏體積，加深縫網復雜程度和導流能力，以及增加地層壓力并提高驅油效率[12]。SRV越大，累產量越高。

理論上講，壓裂級數越多，泵注的壓裂液越多，壓裂規模越大，裂縫和儲層的接觸面積變大，產能就越高。但儲層的可動用面積是一定的，當壓裂規模達到一定水平后，再加大壓裂規模產能的增量將不再顯著，因為儲層中的原油已大部分被動用。因此，分析壓裂規模對產能和經濟效益的影響，優化最佳的壓裂級數是非常必要的。

3.1 壓裂級數與單井產量關系

產能模型輸入基礎數據中的水平井長度定為1 000 m，壓裂級數為n=6～30級(步長為3級)，在水平井的水平段長度保持不變的情況下，裂縫間距隨壓裂級數變化而變化，其他參數與表2相同。利用致密油產能預測軟件計算出評價期內不同壓裂級數下水平井的日產油量及累產油量。其中壓裂級數取值軟件截圖如圖11所示。

壓裂水平井評價期內單井初期產油和累產油與壓裂級數的關系如圖12和圖13所示。從圖中可以發現致密油壓裂水平井的初期產量和累積產量都會隨著水平井壓裂級數的增加而增加。當壓裂級數從6級增加到30級時，水平井的初期產量從9 t/d，增加到44.8 t/d，評價期內的水平井累積產量從最初的0.54萬t增加到了2.73萬t，產量增加到了原來的5倍。且壓裂級數越少，日產量的遞減速度越快，累產量越低；壓裂級數越多，日產量增加，產量遞減幅度減緩，累產量增加。

圖11 人工壓裂裂縫級數取值范圍

圖12 不同壓裂級數與日產量曲線

在其他參數保持不變的前提下，選擇不同的壓裂級數來預測單井日產量及累產量，壓裂級數和日產量與評價期內累產量的散點圖見圖14、圖15。由致密油產能預測模型計算結果得出，在水平段長度和人工裂縫長度不變的條件下，隨著壓裂級數的增加，裂縫間距減小，可更好地動用裂縫之間的儲量。水平井的初期產量與壓裂級數呈近似的線性增長關系，累產量與壓裂級數呈非線性增長關系。這是因為隨著壓裂裂縫級數的增加，裂縫間距減小，裂縫之間會發生較強的應力干擾，從而影響油井產能。

圖13 不同壓裂級數與評價期內累產量曲線

圖14 單井初期日產量與壓裂級數的關系

圖15 評價期內單井累產量與壓裂級數的關系

3.2 壓裂級數與單井投資關系

人工裂縫壓裂級數的增加會帶來水平井單井總投資的增加，由圖16可以看出，單井總投資與壓裂級數呈近似線性增長關系。

3.3 壓裂級數與單井效益關系

當評價油價分別為P=40美元/桶、60美元/桶和80美元/桶時，NPV、IRR與壓裂級數的關系分別如圖17～19所示。

圖16 單井總投資與壓裂級數的關系

圖17 油價為40美元/桶時NPV和IRR與壓裂級數的關系

圖18 油價為60美元/桶時NPV和IRR與壓裂級數的關系

當油價為40美元/桶時，不同壓裂級數下該井的NPV和IRR均為負值。當油價為60美元/桶和80美元/桶時，NPV與IRR都隨著壓裂級數的增加而呈現非線性的增加。三種評價油價下，IRR與壓裂級數的關系見圖20。從圖20中可以看出，不同油價下的IRR基本都是隨著壓裂級數變多而逐漸遞增，且隨著油價下降，IRR的增幅逐漸趨于平緩。

圖19 油價為80美元/桶時NPV和IRR與壓裂級數的關系

圖20 不同油價下IRR與壓裂級數的關系

綜合考慮致密油單井產量和單井投資的綜合影響，以及生產實踐中實際地質情況的復雜性、工藝技術的限制與成本制約，在特定的油價下，應該存在一個相對最佳的水平段長度和壓裂級數范圍使得單井經濟效益達到最優。而從經濟效益角度來研究致密油壓裂水平井的合理水平段長度和壓裂級數，實際上就是尋找技術前提下單井產量、投資、成本和效益的最優匹配點。在如今的低油價宏觀背景下，研究匹配點的分布范圍，將有助于從經濟效益最優而僅非產能最大化的角度來設計水平井開發方案。

4 結論

本文通過對致密油壓裂水平井經濟效益評價的深入研究，重點研究水平段長度和壓裂級數對致密油開發的技術經濟影響，得出以下結論。

1)隨著水平井長度和壓裂級數的增加，水平井的初期產量與累產量均增加。且水平段長度越長，壓裂級數越多，日產量的遞減幅度趨緩。同時投資也大幅度增加。

2)不同油價下的IRR都是隨著水平段長度變長和壓裂級數變多而逐漸遞增，且隨著油價下降，IRR的增幅逐漸趨于平緩。油價越高，IRR增長得越快，說明油價是致密油開發效益的高度敏感因素。

3)在低油價下，油氣田企業對致密油開發的投資決策更為謹慎。在成本制約下，更需從經濟效益角度來研究致密油壓裂水平井的合理水平段長度和壓裂級數范圍，尋找技術前提及實際復雜的地質情況下單井產量、投資和效益的最佳匹配點，從而從經濟效益最優而僅非產能最大化的角度來設計水平井開發方案。

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Evaluation of the tight oil resources economic benefit under the low oil price

NING Yuncai1，ZHONG Min1,2，WEI Yi2，WANG Zhiping2，CHE Shuqin2

( 1.School of Management，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China; 2. Research Institute of Petroleum Exploration & Development，Beijing 100083，China)

Applying volumetric fracturing of horizontal wells in factory-like mode, the US tight oil resources realized industrial development. Tight oil development in China is still in preparation stage as a whole. In the core technology of tight oil development, volumetric fracturing in horizontal wells is to be powerful tool to increase production which means more expensive single well investment compared with conventional oil. The production and operation of oil and gas field development enterprises are in trouble under the low oil prices. Economic evaluation of tight oil development is particularly critical under cost constraints while optimal design of the horizontal section of fractured horizontal wells is especially crucial. Single well production is yielded from the full life circle productivity prediction model of fractured horizontal well in tight oil reservoirs. Utilizing discounted cash flow method to evaluate how horizontal length and the number of fractures effect economic benefit of tight oil. There is a relatively optimal value of the horizontal length and the number of fractures range to achieve the most excellent economic benefit of single well. The preparation of horizontal development program should consider the factors of output, investment, cost and benefit of single well and optimal development plan should be prepared.

low oil price; tight oil; economic benefit evaluation; productivity prediction; NPV; IRR

2016-09-20

中央高校基本科研業務費項目資助(編號：2010YG03)；國家高技術研究發展計劃(863計劃)“致密砂巖油氣藏數值模擬技術與軟件”資助(編號：2013AA064902)

寧云才(1963-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事技術經濟及管理、管理系統工程、投資項目評價理論與方法等方面的教學與研究工作，E-mail：nyc@cumtb.edu.cn。

鐘敏(1984-)，女，漢族，湖北仙桃人，博士研究生，從事油氣開發經濟評價和項目管理工作，E-mail：tbp140501013@student.cumtb.edu.cn。

F416.22

A

1004-4051(2017)02-0051-07