美国页岩油气钻井业的新特点

美国页岩油气钻井业的新特点

众所周知，水平井和多孔压裂导致了美国岩石油气革命。美国钻井业主要因页岩油气革命而独具特色,呈现一些新特点。分析和总结这些新特点,对加快发展我国石油钻井业、推动我国非常规油气开发具有很好的启发和借鉴意义。一、井的数量再次超过气井，水平井的钻井工作量远高于直井1.致密油已开发成为新的热点，并在油藏中进行钻孔2.水平井钻井数量将首次破价,钻井进尺较低,成为新的趋势随着页岩油气的大开发,美国水平井钻井数、进尺及其占比快速增长。2013年,美国钻水平井增至1710口,钻定向井3500口,直井25400口,水平井钻井数的占比升至37%;预计2014年水平井钻井数将首次突破20000口(见图2)。2013年,完成水平井钻井进尺688万米,占当年全美钻井进尺的58.9%(见图3),远超直井钻井进尺(3584万米)。随着水平段长度的不断增加,水平井平均井深2013年首次突破4000米,达到4026.6米。在巴肯等页岩油气产区,水平段长度超过3000米渐成为常态。与此同时,越来越多的钻机用于钻水平井。2013年有1102台在用旋转钻机钻水平井,占在用旋转钻机总数的62.5%。二、随着高产操作的普及，该市已成为提高钻井效率的重要手段1.工厂化作业模式长在各大页岩油气产区,工厂化作业日益盛行。近些年,用工厂化作业模式完成的井的占比快速增长,现已超过70%,个别产区达到90%以上(见图4)。2.巴肯水平井的井深、井深变化工厂化作业是美国页岩油气革命的一个重要推手,其应用范围已拓展到开发致密油和致密气等非常规资源。在先进高效的井下技术的协同配合下,工厂化作业不仅大幅度缩短了钻井周期,而且显著降低了单位进尺的钻完井成本,对环境保护大有好处。下面以巴肯为例,说明致密油水平井钻井提速提效情况。巴肯水平井垂深约3048米,2008-2013年平均水平段长度从1524米增至大约3048米,平均井深从大约4877米增至6401米。有的水平井的水平段长度达到4572米左右,井深超过8229米。尽管如此,巴肯地区的平均钻井周期从32天缩短至18天以内,个别水平井的钻井周期只有12天。在巴肯,2008年水平井的平均钻井成本约为250万~300万美元/井;到了2013年,虽然钻机日费上涨,且平均水平段长度增加了1524米,但平均钻井成本并没有明显的增加,约为300万~350万美元/井。因水平段长度大幅增长,平均单井压裂段数从2008年的10段增加到2013年的32段,多的甚至达到40段。2008年平均完井成本为100万~150万美元/井,2013年平均完井成本为500万~550万美元/井;水平井平均单井日产量从2008年的大约10.5吨/日增长至2013年的17.8吨/日。三、工业钻孔是工业钻孔的主要特征之一，也是新机枪的主流工厂化作业在美国页岩油气大开发中日益盛行,催生了一种新型钻机——工厂化作业钻机,即井间快速移动钻机。1.工厂化作业钻机井间快速移动系统先进的驱动方式指除传统的机械驱动之外的驱动方式,主要包括电驱动和液压驱动,这两种钻机的运移性好。电驱动钻机以电代油,可大大降低噪音和运行成本,特别适合人口稠密的地区。(2)井间快速移动用传统的拖动方式将常规钻机从一个井口移动到下一个井口往往要花3~4天时间,效率极低,劳动强度很高,不适应工厂化作业的需要。钻机若配备井间快速移动系统,可实现满立根快速移动。井间快速移动系统主要有滑轨式和步进式两种。(详见下一页相关链接)(3)钻机自动化设备工厂化作业钻机的自动化程度很高,多属自动化钻机,配备的自动化设备有顶驱、自动化井口设备(例如铁钻工)、一体化司钻控制室、自动猫道等。有部分工厂化作业钻机配备了自动排管设备。顶驱已成为新建大中型钻机的标配设备。(4)防喷器快速装卸系统防喷器快速装卸系统用于快速装卸和移送防喷器组,主要有两种类型,即防喷器吊轨系统和防喷器地面滑轨系统。2.工厂化作业钻机数量将增大,自动化、智能化钻井将成为主流尽管美国陆地钻机总量明显过剩,但页岩油气的大开发推动美国陆地钻机进入新的一轮建造高峰期。这一轮新建潮的最大特点是更新换代——用工厂化作业钻机替代传统钻机,也就是用交流变频电驱动钻机替代直流电驱动钻机和机械钻机,用自动化钻机替代老式落后钻机,从而彻底改变了美国陆地钻机队伍的构成。(1)工厂化作业钻机数量和占比大增,成为高效开发页岩气、致密油等非常规油气的利器工厂化作业日益盛行,工厂化作业钻机的数量和占比快速增长。到2013年底,工厂化作业钻机增至大约550台,在用的1705台陆地钻机中工厂化作业钻机占30%左右;预计到2014年底,工厂化作业钻机将增至640台左右,在用陆地钻机中工厂化作业钻机将占大约35%。工厂化作业钻机可以通过现有钻机改造而成,也可以是成套定制的全新钻机,后者越来越多。过去5年,美国年均增加工厂化作业钻机100台左右。2014年将有80~100台新的陆地钻机投放美国市场,它们几乎全是工厂化作业钻机,其中大约2/3的钻机将配备步进系统。预计未来5年美国将新建大约500台工厂化作业钻机,其中70%用于美国市场,30%投放美国之外的国际市场。(2)交流变频电驱动钻机数量大增,利用率很高新增的工厂化作业钻机几乎全部是交流变频电驱动钻机,近些年交流变频钻机迅速取代直流电驱动钻机和机械钻机,致使交流变频电驱动钻机数量和占比不断增加(见图5)。在用的陆地钻机中,电驱动钻机的占比从2008年10月的49%增至2014年1月的69%,其中交流变频电驱动钻机的占比从2008年10月的15%陡增至2014年1月的41%,利用率维持在85%左右。(3)自动化钻机日益成为在用大中型陆地钻机的主流钻井自动化、智能化成为钻井大趋势。近几年新建的陆地钻机中绝大部分是工厂化作业钻机,它们多为自动化钻机。随着新建的工厂化作业钻机陆续投用,自动化钻机日益成为在用大中型陆地钻机的主流。四、大型土地开挖承包商参与了岩油气的开发，成为岩油气勘探和开发的主力军1.美国的陆海钻机美国H&P公司的钻机数从2001年的96台增至2004年的130台,此后因积极参与页岩油气的大开发,钻机数快速增长,到2013年增至340台(见图6);公司的收入也从2004年5.89亿美元增至2013年的33.88亿美元。PattersonUTI钻井公司的陆地钻机数虽从2004年底的361台降至2013年底的279台(仅有19台在境外,即加拿大),但钻井承包收入从2004年8.1亿美元增至2013年的16.8亿美元。Nabors工业公司在美国的陆地钻机数从2004年底的206台增加到2013年底的305台,来自美国钻井承包市场的收入从2004年13.26亿美元增至2013年的31.55亿美元。在美国,高规格陆地钻机的集中度明显提高,当前大约70%集中在这三大陆地钻井承包商(H&P公司、Patterson-UTI钻井公司、Nabors工业公司)手中(见图7)。为适应页岩油气开发的需要,Patterson-UTI钻井公司、Nabors工业公司等陆地钻井承包商,还开展了水力压裂业务。2.自主品牌钻机在国外,尤其是美国,除专业的设备制造商,如国民油井华高公司(NOV)外,大型陆地钻井承包商几乎都拥有自己的钻机品牌(见表1),这些品牌钻机要么是定制的,要么是自己设计制造的。这些大型陆地钻井承包商现在装备的陆地钻机有不少甚至大部分是自主品牌钻机,包括工厂化作业钻机。H&P公司2014年5月在美国的陆地钻机数达到327台,全部是电驱动钻机,其中工厂化作业钻机约占50%,交流变频电驱动的FlexRig钻机294台,利用率高达98%。Patterson-UTI钻井公司2013年底在美国有陆地钻机260台,其中APEX钻机124台。近几年,美国新增的工厂化作业钻机大部分是这些钻井承包商的自主品牌钻机,小部分来自专业的设备制造商。H&P公司设计制造的FlexRig钻机已发展到第五代,自动化水平一代高过一代。拥有钻机自主品牌俨然成为钻井承包商实力的一个重要标志;大型陆地钻井承包商已成为发展陆地钻机的主力军,这正是国外陆地钻机技术发展很快的根本原因。五、以斯伦贝谢公司和加拿大投资战略协议为代表的油气企业联盟大的技术服务公司与大的钻井承包商结成战略联盟,通过优势互补提升总承包实力、作业效率和市场竞争力,实现合作双赢和效益最大化。例如,2014年7月,斯伦贝谢公司宣布与加拿大Precision钻井公司签署战略协议。协议的目标是通过联盟,提高两家公司在北美非常规油气领域工程技术服务的效率和效果、降低作业成本。该协议涵盖技术、服务和市场等多个方面。联盟后,两家公司将共同开展加拿大及美国本土48州的钻井、井下、测量等技术服务,共同进行相关的技术和操作培训,提升专业技术水平。六、美国西南能源公司为提高协作效率,减少因协调不到位而引起非生产时间,同时为了实现效益最大化,少数独立石油公司也实施一体化战略,从事钻井、完井、压裂、修井等工程技术业务,拥有自己的钻井公司(见表2)。例如,在美国从事页岩油气等油气资源勘探开发的Chesapeake能源公司拥有一家全资钻井公司——Nomac钻井公司,其陆地钻机数从2001年成立之时的5台增至2014年3月1日的115台(主要通过收购公司),是美国近10年来增长最快的陆地钻井承包商之一,也是当前美国最大的页岩油气钻井承包商之一。美国西南能源公司旗下的西南能源生产公司(SEPCO)拥有一家全资子公司——DeSoto钻井公司。2013年底,DeSoto钻井公司拥有13台钻机,其中有2台是用于开钻的小型钻机,其余11台是钻余下井段的高规格钻机。美国西南能源公司除了从事钻井和完井外,还经营压裂和集输等业务,是一家拥有一体化作业能力的独立石油公司。截至2013年3月底,西南能源公司在Fayetteville页岩气产区共有296口水平井的“造斜段+水平段”钻井用时不超过5天。2013年一季度投产的102口水平井中,有53口井的“造斜段+水平段”钻井用时不超过5天,其中25口井的“造斜段+水平段”钻井用时只有2.5天,全井钻井周期大约5天(平均井深约2800米,平均水平段长度约1500米)。七、案例2:美国eagerford页岩气产区在美国页岩油气开发中,常规技术或高新技术与个性化技术(例如个性化钻头和个性化钻井液)相结合,是提速提效的关键。个性化水基泥浆正逐步取代油基泥浆。常规导向钻井因成本较低,得到了广泛应用。旋转导向钻井系统的应用,使造斜段或水平段“一趟钻”渐成为常态。为缩短靶前距,增加水平段长度,提高油气产量,斯伦贝谢、贝克休斯、哈里伯顿公司相继推出高造斜率旋转导向钻井系统,分别是PowerDriveArcher系统、AutoTrakCurve系统和Geo-PilotDirigo系统,它们的最大造斜能力分别是17°/30米、15°/30米和15°/30米。利用旋转导向钻井系统,特别是高造斜率旋转导向钻井系统,越来越多的水平井实现了造斜段+水平段“一趟钻”,一小部分水平井甚至成功地实现了二开直井段+造斜段+水平段“一趟钻”。案例1:一口大约4019米深的水平井,二开直井段+造斜段+水平段“一趟钻”完钻2012年初,在美国EagleFord页岩气产区的一口水平井中(这是一口三维水平井,造斜井段的设计造斜率为8°/30米),应用贝克休斯公司的63/4英寸AutoTrakCurve系统和83/4英寸PDC钻头一次下井钻开表层套管的套管鞋,从801.9米钻至总井深4019.7米,共钻进3217.8米(直井段+造斜井段+水平井段),减少了两次起下钻。共用时5.95天,平均机械钻速27.43米/小时,比邻井缩短2.5天,节省钻井费用大约80000美元。案例2:一口大约4527米深的水平井,二开直井段+造斜段+水平段“一趟钻”完钻2013年初,在EagleFord页岩气产区的一口大约4527米深的水平井中,应用斯伦贝谢公司的63/4英寸PowerDriveArcher系统(长度5.06米,最大造斜率15°/30米)和为页岩层定制的81/2英寸SpearSDi513钢体PDC钻头,一趟钻完成进尺3277.8米(直井段+造斜段+水平段),平均机械钻速16.76米/小时,钻井用时8天,比邻井节省4天时间。八、钻井安全指标持续改善随着安全环保法规日益严格、钻机自动化水平的不断提升和钻井技术的不断进步,加之参与钻井的各方日益重视HSE管理,美国钻井业的钻井安全指标持续改善,可记录事故率呈下降趋势(见图9和图10)。因钻机设备的改进,井场占地面积明显减少。在页岩油气的大开发中,因推行工厂化作业模式和水平段长度的不断增加,大大减少了井场数量、平均单井的井场占地面积、钻井液用量和废液量,以及道路工程量及其对植被的破坏。九、石油和天然气开采的指示和建议1.发展钻机是企业发展的关键通过以上分析,得出如下几点启示。1)页岩油气的大开发是钻井公司做大做强的大好机遇,应抓住机遇,加快发展,大有可为。2)钻井自动化(包括钻机自动化)是钻井大趋势,顺应趋势方能在竞争中掌握主动权。3)加快淘汰落后陈旧的钻机,才能在激烈的市场竞争中保持优势地位。4)发展钻机不能单靠专业的钻机制造商,钻井公司更清楚什么样的钻机才是适合自己的好钻机。5)独立自主经营,是钻井公司做大做强的关键。6)切实发挥一体化优势,是持续提速提效的重要途径。2.美国致密油质量趋势我国早已跃居世界第二钻井大国,但我国钻井技术水平与美国相比还有一定差距,主要表现在:钻机自动化水平低,电驱动钻机少,顶驱配置率低,工厂化作业钻机极少;水平井、深井的钻井周期长。对此,提出如下发展建议。1)加快发展工厂化作业钻机,大力推行工厂化作业。2)大力发展自动化钻机,提升钻机自动化水平、作业效率和安全性。3)鼓励钻探公司发展自己的钻机品牌,以调动钻机技术创新的积极性,实现钻机设计的多样化和个性化,更好地满足市场需要,提升市场竞争力。4)大力发展个性化钻头和个性化钻井液等个性化技术,加快发展旋转导向钻井技术,推行水平井一个井段“一趟钻”,努力实现两个井段或三个井段“一趟钻”。5)探索和推行发挥一体化优势的总承包模式,实现甲乙方共赢和综合效益最大化。数重新超过气井因致密气、煤层气和页岩气的开发,美国气井钻井数从1993年起超过油井。但随着致密油的大开发,美国油井钻井数从2010年起重新超过气井(见图1),2013年油井钻井数增至32500口,远远超过当年的气井钻井数(790口),另钻干井5600口。使得美国的致密油产量从2008年的大约2000万吨激增至2014年的1.6亿吨以上,进一步降低了美国的原油对外依存度。(1)先进的驱动方式西南能源公司在Fayetteville页岩气产区取得异常好的钻井效果。该公司从2004年开始钻探Fayetteville页岩,2005年开始钻水平井,水平井钻井数快速增长,至2010年达到655口,此后因天然气价格回落而有所减少,2013年为527口,计划2014年钻水平井460~470口(见图8)。随着技术的进步,西南能源公司在Fayetteville页岩气产区的平均水平段长度不断增加,从2006年的701米增至2013年的1633米;而“造