頁巖氣地質工程一體化管理實踐與展望

何 驍 周 鵬 楊洪志 聞 雯 吳建發 黃浩勇 王 梅

1. 中國石油西南油氣田公司 2. 中國石油大學（華東）經濟管理學院 3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

世界能源發展已經進入從化石能源向新能源轉換的關鍵期[1]，天然氣作為一種清潔能源在推進能源轉型與應對全球氣候變化中扮演著重要角色。目前，常規天然氣藏的勘探開發進度難以滿足國內天然氣日益增長的需求，頁巖氣等低品質油氣資源的開發已經成為我國天然氣儲量及產量的新增長點。但是，頁巖氣單井產量低、遞減率高，需通過“水平井＋水力壓裂”的方式才能實現經濟開采，規模開發具有資金需求大、投資風險高、回報周期長等經濟特征[2-3]。此外，頁巖氣開發是一項多學科集成、多部門參與的復雜系統工程，常規氣開發中技術條塊分割、管理接力進行的管理模式難以實現頁巖氣的規模效益開發。因此，探索統籌協調的一體化工作流程，實現管理方式從“優化的簡單相加”向“集成的、有機的優化”的轉換，成為促進頁巖氣開采“降本增效”的必然途徑。

筆者通過文獻梳理與調研訪談，系統總結了頁巖氣地質工程一體化的內涵與管理實踐內容，厘清了目前頁巖氣開發中地質工程一體化管理的不足與挑戰，并提出了頁巖氣地質工程一體化管理優化方案，以期為推動地質工程一體化的研究、實現頁巖氣高效開發提供參考。

1 地質工程一體化理論辨析

1.1 地質工程一體化的起源

1974年，Von Bertalanffy等[4]在《一般系統理論基礎、發展和應用》中進一步強調系統內要素相互關聯、相互作用、不可分割，奠定了一體化思想的基礎。“一體化管理”則脫胎于質量管理理論[5]，但直到20世紀90年代才逐漸受到各界專家學者的關注，進而被廣泛應用于戰略管理、物流、信息等領域。

20世紀70年代以前，國內外油氣的勘探開發主要采用“勘探—評價—方案編制—開發”的接力作業模式，開發管理的割裂、信息壁壘等弊端逐漸顯現，對油氣田開發效益產生的負面影響日益增強。70年代后期，國外學者提出了“油藏管理”理念，突出了油藏工程重要性[6-7]。80年代，油藏管理進一步發展，強調油藏描述與油藏工程結合，油氣田開發管理模式發生關鍵性轉變。90年代以后，油氣勘探開發工作日益深入，為應對非常規油氣開發難度大、經濟效益低的挑戰，創新油氣田組織管理模式成為新的研究趨勢。自Alderman等[8]于1994年將“一體化管理體系”引入油氣領域之后，經過持續探索實踐，集地質、工程、經濟、管理于一體的“勘探開發一體化”得以不斷發展完善，逐漸成為油氣勘探開發的重要途徑。

20世紀90年代，我國油氣企業逐步引入“一體化管理”理念，并于東部地區油田進行試點性探索與實踐。21世紀以來，我國油氣公司通過借鑒國外先進經驗，積極推進一體化管理實踐，促進勘探、開發的緊密結合和有效銜接。2013年，國家能源局發布的《頁巖氣產業政策》指出要加強對示范區頁巖氣勘探開發一體化管理[9]，引導我國科研學者和管理工作者為油氣發展尋求高效的地質工程一體化組織管理措施。

1.2 地質工程一體化概念及內涵

為了避免昂貴的“學習曲線”，我國油氣工作者結合國內油氣田開發的實際情況，逐步探索形成了符合中國國情的“地質工程一體化”的理念。吳奇團隊首先提出針對中國南方海相頁巖氣開發的地質工程一體化實施路線，明確給出地質工程一體化理念的定義[10]。胡文瑞院士團隊進一步提出了地質工程一體化作業模式，指出具有一體化思想的決策者和團隊、一體化管理構架以及以多學科數據為基礎的一體化工作平臺是地質工程一體化實施的核心要素[11]。

綜合相關概念，地質工程一體化是以地質認識為核心、圍繞油氣開發效益目標、各環節緊密結合的系統化高效運作模式，其內涵是運用系統思維打破部門間、流程間、學科間壁壘，依托一體化團隊、一體化管理和一體化平臺推動油氣勘探開發的滾動優化，通過整體部署、統籌管理和緊密跟蹤促進地質研究與工程實施的有機結合，進而實現產能增加、效率提高、成本降低、經濟效益最大化（圖1）。

圖1 地質工程一體化內涵架構圖

1.3 頁巖氣地質工程一體化特點

頁巖氣儲層致密，具有低孔隙度、低滲透率的特征[12]，因此在勘探開發作業中，除了應用常規天然氣開發的相關技術外，還需依靠水平井鉆井和壓裂措施才能有效實現頁巖氣開發投產。此外，同一個“甜點區”內的單井產氣量和估算的最終可采儲量也會受壓裂效果等影響產生較大波動[13]，這些因素對工程實施與地質研究的緊密連接提出了更高要求。

頁巖氣勘探開發具有上述特點，需要運用地質工程一體化理念進行整體部署、統籌管理，因而頁巖氣地質工程一體化呈現出復雜性、系統性和協調性的特征：①復雜性是指面對復雜的地質條件，采用的技術種類繁多復雜，因管理層級橫縱交叉導致管理難度較大；②系統性是指頁巖氣地質工程一體化需要統籌考慮資金、物資、人力、質量、進度、環保、安全等各項內容，以此實現地質勘探、選區評價、先導試驗、鉆井完井、儲層改造、生產管理等若干環節的有機統一；③協調性是指頁巖氣地質工程一體化的有效實施依托于各環節之間的協調銜接，需要多部門配合、多學科融合、多技術協同。綜上所述，地質工程一體化的特點與頁巖氣勘探開發的難點呈現出極高的匹配度，很大程度上可以極具針對性、適應性地解決頁巖氣勘探開發難題。

2 頁巖氣地質工程一體化管理實踐

頁巖氣勘探開發復雜性高、作業難度大，隨著開發的不斷深入，采收率降低等問題逐漸涌現[14]。為此，世界油氣工作者積極應用地質工程一體化，進行了大量管理實踐探索及前沿研究。

2.1 地質工程一體化管理模式

國內外油氣企業在勘探開發過程中基于實際開發條件，針對性地進行技術研究、組織管理創新、經營戰略制定等活動，形成了各具特色的一體化管理實踐模式。

殼牌、BP、斯倫貝謝、貝克休斯等公司提出并運用一體化原則開展了一系列有關一體化運營管理的研究與探索。面對國際油價下跌的危機，北美頁巖氣革命驅動了油公司、油服公司通過技術突破和商業模式創新進行一體化戰略擴張[15]。國外油服公司通過不斷改革重組、擴張業務領域、技術創新等方法，為油氣公司提供一體化服務及軟件平臺支持，形成獨具特色的“一體化服務”模式。其中，斯倫貝謝公司聚焦于上游勘探開發生產領域，憑借技術優勢形成從勘探到生產的一整套技術體系，以提供不同層次和規模的“橫向一體化”服務，實現上游生產管理協同。貝克休斯公司為謀求整體利益最大化及形成差異化競爭優勢，在2017年與通用電氣公司進行油氣業務合并，重組為“貝克休斯、通用電氣子公司”（即新貝克休斯公司），將地質工程一體化思想融入上中下游業務中進行“縱向一體化”發展，成為從上游能源勘探開發生產到終端利用的全產業鏈的油服巨頭[16]（圖 2）。

圖2 國外典型油服公司一體化實踐模式內容框架圖

中國非常規油氣開發的地質條件與北美差異較大[17]，中國油氣工作者因地制宜，在借鑒北美先進經驗以及技術引進、吸收、創新的基礎上不斷探索，形成了適合中國地質、地表和油田生產特點的多種實踐模式（圖3）。在長寧—威遠國家級頁巖氣開發示范區，西南油氣田公司采用“一體化研究、一體化實施、一體化設計”的方法，做好“定井、鉆井、壓井、管井”工作，達到“高儲層品質、高鉆井品質、高完井品質”，實現了“高產量、高EUR、高采收率”的目標[20]。在昭通國家級頁巖氣示范區，浙江油田公司基于市場運作優勢，提出以勘探與開發、地質與工程、科研與生產一體化綜合研究為基礎，一體化精細項目管理、一體化鉆壓采總包、一體化技術優勢團隊為保障的“產建一體化”（Integrated Project Development by Production，簡稱 IPDP）高效開發模式，整體資源利用效率和施工效率顯著提升[18,21-22]。在涪陵國家級頁巖氣示范區，重慶涪陵頁巖氣勘探開發公司積極實踐一體化高效“井工廠”開發模式，工作思路及流程整體以勘探與開發、地面與地下、科研與生產一體化為基礎，以油公司模式、市場化運作、制度化體系及協同化服務為保障，勘探開發取得顯著成效[19]。

圖3 國內典型地質工程一體化實踐模式圖

2.2 地質工程一體化管理模式實踐發展

為提升頁巖氣勘探開發效率，國內外油氣工作者愈發注重地質工程一體化的管理創新[23-24]，在組織結構、業務模式、流程管理及信息管理等方面進行了大量探索實踐。

2.2.1 組織結構

組織結構是實現油氣效益提升的關鍵[25]，現有的頁巖氣開發組織結構具有職能交叉、權責不清、層級較多的特點，難以充分調動頁巖氣勘探開發全體單位和部門的積極性[26]。因此，組織結構“扁平化”成為地質工程一體化變革的重要方向之一[27]。國際石油公司組織結構經歷了從“職能式”到“事業部式”的過渡，最終形成了以橫向的業務板塊與縱向的職能管理結合的矩陣式組織結構[28]。如斯倫貝謝公司、貝克休斯公司等油服公司皆針對其業務特點進行了組織結構重組，形成了涵蓋地域、業務的雙維度矩陣式組織結構[29]。我國油氣公司則以職能型組織結構為主，運用地質工程一體化思想在原有基礎上融合矩陣式項目組織。如中國石油天然氣集團有限公司以“大協同”理念為指導，針對頁巖氣業務構建了涵蓋頁巖氣業務發展領導小組、前線指揮部、西南油氣田分公司及工程服務公司的三級管理模式，保障了頁巖氣規模開發[30]。然而，地質工程一體化作為新興理念，組織結構設計尚處于摸索階段，理論指導及探索實踐相對匱乏。據此，后文將闡釋對頁巖氣地質工程一體化管理組織結構的設想與展望。

2.2.2 業務模式

頁巖氣地質工程一體化要求油公司與工程公司高度協調配合，常見的頁巖氣業務模式有以油公司為主導和以工程服務公司為主導兩類（表1）。現有頁巖氣開發生產過程中，油公司與工程公司因利益訴求不同存在目標協調、業務板塊分割等問題，制約了整體資源利用效率和生產效率的提升。因此，開展業務模式創新、探索各業務板塊協同管理機制，成為地質工程一體化管理的關鍵問題之一。國際大型石油公司以綜合能源服務供應商作為公司發展定位，通過各環節的協同管理扭轉上下游業務板塊分割。如埃克森美孚運用上下游一體化“端到端”整合的管理模式，打破了上游產業鏈條塊分割、不同油氣資源分類運作和上下游項目相對獨立管理的限制[31]。我國油氣公司則以油公司主導模式為主，運用地質工程一體化思想在原有基礎上探索工程服務新模式。如中國石油集團川慶鉆探工程有限公司根據業務類型，探索出以部分承包為核心的“協作型”工程地質一體化運作方式和以整體總包為核心的“主導型”工程地質一體化運作方式，提升了油公司和工程服務企業的整體經濟效益[32]。

表1 頁巖氣開發業務模式特征表

2.2.3 流程管理

頁巖氣地質工程一體化項目需要多部門、多學科協作融合，現有的頁巖氣勘探開發流程復雜，易產生工程時間延長、管理效率低下的問題[33]。因此，搭建覆蓋頁巖氣勘探開發全流程的系統管理體系，成為頁巖氣地質工程一體化工作持續向規范化、系統化發展的重要手段[34]。國際石油公司以全生命周期管理理念為指導，主要通過各類一體化工作平臺規范部門協作流程，優化工作銜接效率。如斯倫貝謝公司結合一體化服務理念，通過Petrel平臺實現了頁巖氣勘探開發多學科、多工作、全方位的協同一致，使地質與工程得以更好銜接[16,29]。我國油氣公司則以完善協調管理機制為主，運用地質工程一體化思想在原有基礎上探索流程管理新模式。如重慶涪陵頁巖氣勘探開發公司圍繞統一研究、統一部署的工作思路，建立了整體部署、分批實施的地質工程一體化工作流程，提升了各環節銜接效率[35]。

2.2.4 信息管理

頁巖氣地質工程一體化涵蓋頁巖氣勘探開發的海量數據信息，而目前大量數據難以得到有效挖掘、利用及共享，由此產生的“數據孤島”制約了頁巖氣勘探開發效率的全面提升[23]。因此，挖掘數據資產價值、提升信息綜合管理水平成為地質工程一體化突破信息協作屏障的重要抓手。國外油服公司以數字化和智能化作為推動油氣行業發展的重要選擇，圍繞智能油田大力推進業務數字化管理。如哈里伯頓公司與微軟公司達成戰略協議，通過引入Azure云平臺和深度學習、可視化技術開展數字化業務，促進勘探開發數據資產的深度整合與利用[36]；斯倫貝謝公司與IBM公司、紅帽公司達成開展混合云協作協議，為OSDU數據平臺打造差異化的數據管理和運營解決方案[37]。我國油氣公司則以數字化轉型為主攻方向，圍繞“共享中國石油”戰略部署，推動數據資產的共享應用和整體優化。如中國石油化工集團有限公司自主建設了“石化智云”工業互聯網平臺，并打造了相應的數據治理和服務管理體系，開啟了數字辦公新模式[38]；中國石油天然氣集團有限公司正式發布了勘探開發“夢想云”平臺，促進了數據、信息、知識、經驗等無形資源的充分共享，推動了人、財、物等有形資源的共享應用和整體優化[39]。

3 頁巖氣地質工程一體化展望

頁巖氣勘探開發具有參與主體眾多、動態性強、信息量大的特點。筆者借鑒頁巖氣地質工程一體化開展的國內外實踐經驗，提出我國油氣公司組織結構和信息管理優化方案，以推動地質工程一體化項目工作開展。

3.1 組織結構

目前，中國油氣公司關于頁巖氣勘探開發的組織框架一般由職能部門、直屬機構和二級單位組成，尚未形成完整的項目團隊負責頁巖氣勘探開發全過程，易產生資源沖突、命令鏈冗長等問題。通過借鑒國際經驗，結合國內實際，在充分考慮企業組織變革的動力與阻力基礎上，現以西南油氣田公司為例，對未來組織結構設計提出以下設想。

3.1.1 集成管理

頁巖氣地質工程一體化組織管理可在油氣公司二級單位下設置頁巖氣項目集成管理部門（圖4），專門負責管理頁巖氣開發項目，管理頁巖氣研究院、工程技術團隊及頁巖氣項目群，將現有氣礦負責的頁巖氣勘探開發模式調整成項目組勘探開發模式，根據任務組建相應頁巖氣項目組，形成項目群統一由項目集成管理辦公室管理，以實現集成、動態、高效開發管理。

圖4 頁巖氣勘探開發組織結構集成管理方案圖

新增加的項目集成管理辦公室通過運用運籌優化技術等進行多項目統籌協調，主要職責包括：接收氣田開發管理部等部門下達的頁巖氣開發任務，構建項目組；收集匯總所轄頁巖氣項目組資源及技術支持需求，選定合理指標體系進行項目優先級評定，據此向物質設備管理部等部門調度資源以及向頁巖氣研究院下達研究任務；根據項目重要性與緊急性決定自行開發或外包；負責監督管理項目資源分配、資金需求、信息交流等內容，對項目運行進行動態監控與指導，定時驗收項目成果，根據科學的項目評價以及績效考核標準進行評判。

頁巖氣項目參與人員分為研發人員與現場工程管理人員，日常分別由頁巖氣研究院與工程技術團隊兩個部門管理并組織培訓。接到頁巖氣項目開發任務后，項目負責人由項目集成管理辦公室任命，負責項目具體開發，采用終身負責制，行為責任具體到人，追溯落實主體責任，有效保障工程質量安全；并從兩個部門分別抽調人員組成項目小組。各項目組主要職責包括：制定項目實施方案，交由項目集成管理辦公室審核，通過后負責實施；根據具體實施情況向項目集成管理辦公室提交資源或技術支持需求，已獲取的資源也需服從該部門統一調配；服從信息管理章程，將項目數據、進度等各方面的數據按要求上傳至頁巖氣地質工程一體化管理平臺；配合項目集成管理辦公室監督，按照要求定期發送項目工作日志等記錄。頁巖氣地質工程一體化集成管理方案的多項目管理流程如圖5所示。

圖5 集成管理方案多項目管理流程圖

3.1.2 綜合協調

考慮到我國油氣行業特點、企業組織變革阻力，未來也可通過增加協調機構的方式推進頁巖氣地質工程一體化開展。新設的項目管理辦公室僅為協調機構，管理權限較低（圖6）。

圖6 頁巖氣勘探開發組織結構綜合協調方案圖

相對集成管理方案而言，綜合協調方案中項目集成管理辦公室的項目管理能力較弱，主要職責包括優先級排序并編制進度計劃，統一收集人力、物資、研發支持需求并上報備案，負責數據的審核與調用權限設置，輔助項目順利進行；氣礦等二級單位的權利較集成管理方案的項目組大，自行制定項目方案、物資需求計劃并實施，實時更新項目進度與相關信息，根據權限調用數據，其余職責與集成管理的項目組類同。綜合協調方案的多項目管理流程如圖7所示。

圖7 綜合協調方案多項目管理流程圖

3.2 信息管理

當前，數字經濟正開啟一次重大的時代轉型，工業技術與信息技術的深度融合加速了油氣行業的轉型升級，新時代對油氣行業數字化轉型提出了新的要求。筆者借鑒國內外油氣企業數字化轉型經驗，充分考慮國內政策導向，現對未來信息管理方案提出如下設想。

3.2.1 信息集成管理

信息集成管理是油氣行業實現數字賦能的基礎，油氣公司可以從構建一體化數字工作平臺和強化信息質量管控兩方面著手提高信息集成管理能力。在一體化數字工作平臺建設方面，油氣公司需要聚焦關鍵業務部門軟硬件基礎設施的迭代升級工作，利用區塊鏈、云平臺等技術實現多源異構數據的分布式存儲與集成共享，推進頁巖氣勘探開發全過程的電子化、網絡化、平臺化。在信息質量管控方面，油氣公司對內可以利用工業互聯網技術將數據庫與傳感器進行標準化對接，實現數據的標準化采集錄入，利用區塊鏈技術加強流通環節的信息追溯，確保信息的繼承性和連貫性；對外可以將模型成果標準和原始數據數據標準相解耦，在與其他企業合作中推動模型成果和原始數據的標準化、規范化，逐步打破各合作單位之間的信息壁壘。

3.2.2 數字化工作模式

數字化工作模式是企業提升信息時代生存發展能力的重要依托，油氣公司可以從提升“金數據”挖掘利用能力和打造一體化工作流程兩方面著手推進工作模式的數字化轉型（圖8）。“金數據”是貫穿整個油藏勘探開發過程的核心數據，油氣公司需要基于地質數據、工程數據及頁巖氣勘探開發流程，探明“金數據”范圍并對其進行迭代優化，在此基礎上深入挖掘“金數據”潛在價值，總結提煉產能控制主要因素及作業優化關鍵參數，提升頁巖氣藏地質認知水平與工程作業效率。與此同時，企業還需圍繞“金數據”價值釋放，強化地質研究與工程實施的協調運作，將油氣藏工程向后延伸至地面工程，將地質勘探、選區評價、先導實驗、鉆井完井、儲層改造、生產管理等進行一體化融合，打造數據驅動的頁巖氣地質工程一體化工作流程。

圖8 一體化工作流程圖

4 結束語

頁巖氣儲層特征導致其開發流程對組織管理模式存在一些特殊需求，基于地質工程一體化理念的組織管理模式應運而生，國內外油氣公司的探索實踐同樣證明了地質工程一體化是實現非常規油氣、復雜油氣高效開發的必由之路。但是隨著頁巖氣勘探開發與智能化、數字化發展的結合，地質工程一體化管理理念迫切需要完成由經驗理念到科學理論體系的過渡，深化在組織結構、業務模式、流程管理和信息管理等方面的理論研究與探索實踐，以此促進頁巖氣勘探開發效益的全面提升。