苏里格致密气水平井压裂工程参数经济性研究

毕 曼, 来轩昂, 冀忠伦, 王嘉鑫, 郭青华, 杨映洲, 马占国

1低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 2中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院 3中国石油长庆油田苏里格气田开发分公司 4中国石油长庆油田分公司第三采气厂

0 引言

近年研究和生产实践表明，水平井钻井和水力压裂技术的快速发展使致密气等非常规储层的产量急剧增加。然而，北美页岩气带来的超长水平井、细分切割压裂、体积压裂等[1- 3]开发理念和压裂技术的影响，使水平段长度、压裂段数、改造规模不断突破记录的同时也造成了单井投资的大幅增加。目前，国内外对于致密气藏水平井压裂工程参数与投资、产出、经济边界产量和经济指标等关系仍不明确，且国外研究主要基于页岩气藏和理论模型方面[4- 6]，对于致密气藏和实际生产现场分析结合较少。因此，本文研究基于苏里格致密气藏300余口水平井实际生产数据，研究分析致密气水平井压裂工程参数与单井投资和产出的关系，建立了与投资和净现值数学模型，绘制工程参数经济边界产量关系图版，并结合最优经济指标，进一步优化压裂工程参数，为下一步致密气效益开发提供技术经济一体化决策支持。

1 压裂工程参数与水平井投资关系

苏里格致密气水平井建井投资[7- 8]包括井筒工程投资和地面工程投资，井筒工程包括钻前、钻井、固井、录井、测井、压裂、采气、油套管和入井材料、安全环保等费用。从投资构成比例可以看出，水平井井筒工程投资主体由钻井工程和压裂工程投资产生的，地面工程投资只占总投资20%左右。依据工程造价模型和回归分析已结算水平井压裂工程参数与投资的关系发现：

(1)钻井工程投资：纯钻、测井、录井、固井、套管的投资费用都以钻井进尺结算，而水平井钻井进尺由直斜井段长度和水平段长度组成，由于区块目的储层深度基本相当，直斜井段长度差异小，因此水平段长度成为影响钻井投资的主要因素，钻井工程投资测算模型[9]为式(1)，R2=0.961，与实际结算费用拟合精度高，见图1。

图1 钻井工程投资测算模型与实际结算费用拟合对比

Cde=676.78+ 0.315 3L-0.000 006L2

(1)

式中：Cde—钻井工程投资，万元；L—水平段长度,m。

(2)压裂工程投资：压裂工程投资主要与压裂段数有关，其中细分切割压裂井需测算超出的射孔簇数和暂堵剂量产生的投资，体积压裂井的投资与超出的砂液量、砂液价格有关，投资随着压裂段数的增加而显著增加，因此，压裂工程投资测算模型为式(2)，R2=0.964，拟合精度高，见图2。

图2 压裂工程投资测算模型与实际结算费用拟合对比

Cfe=237.86+54.298S+0.454 6S2+0.479 8C+10D+S·ΔSL·Psl

(2)

式中：Cfe—压裂工程投资,万元；S—压裂段数,段；C—射孔簇数,簇；D—暂堵剂量,m3；ΔSL—超出砂液量,m3；Psl—砂液价格,万元/m3。

2 压裂工程参数与水平井产出关系

苏里格致密气水平井的产出主体是单井最终可采储量(EUR)和附加产品(如凝析油)，其中影响EUR的因素很多，主要为地质、工程和生产制度三大类。致密气藏非均质性强，气层厚度、孔隙度、渗透率、含气饱和度等地质因素属于客观因素，是影响气井EUR关键因素；长度、段数、改造规模等压裂工程因素为主观因素，能提高储层改造体积，扩大控制储量，改变渗流速度，从而改变地质因素大幅提高气井采收率，是影响EUR的主控因素；此外，合理的生产制度也会一定程度的影响气井EUR。因此，针对地质成熟的开发区块，压裂工程参数对EUR的影响关系到单井经济效益的变化，是重要的研究部分。本文通过筛选苏里格同一区块地质条件相当的水平井，分析压裂工程因素与EUR的关系，结果表明：①水平段长度增加，能提高EUR(见图3)；②相同水平段长度时，增加改造段数，可以提高EUR(见图4)；③相同水平段长度和改造段数时，改造强度的增大，也可以提高EUR(见图5)。然而，压裂工程参数指标的不断增大并不代表EUR同比例增加，由图5可看出指标越大，EUR增幅明显变缓。

图3 水平段长度与预测EUR关系图

图4 压裂段数与预测EUR关系图

图5 砂凝强度与预测EUR关系图

3 压裂工程参数与经济边界产量关系

为了明确压裂工程参数、投资与经济边界产量之间的关系，采用折现现金流量法[10]，考虑水平井建井投资、完全成本(其中完全成本包含：操作成本、各种税金及其附加，期间费用和折旧折耗等)、最终可采储量EUR、天然气价格，天然气商品率等参数，按财务基准收益率(折现率)计算财务净现值，将压裂工程参数投资测算模型代入净现值模型后，建立了水平井压裂工程参数、投资、产量和净现值的综合模型(式3)。通过该模型计算，当税后内部收益率6%、NPV=0时，不同水平段长度、改造段数和改造强度引起的差异化投资对应达到最低财务盈利水平时的采气量即经济边界产量，并绘制了工程参数经济边界产量图版，见图6、图7。

图6 不同水平段长度经济边界产量图版

图7 不同改造段数、改造强度经济边界产量图版

(3)

式中：NPV—财务净现值，万元；Q—经济边界产量，×104m3；v—天然气商品率，%；P—天然气销售价格，m3/元；Cde—钻井工程投资，万元；Cfe—压裂工程投资，万元；I—地面投资，万元；C—生产成本，万元；i—财务基准收益率，%；t—评价期，一般取值为15年。

由图6、图7可知：①压裂段间距相同时，所需经济边界产量随着水平段长度增加而增加，如：裂缝密度100 m/段，水平段增长1 000 m时，投资增加约948万元，产量需增加约1 289×104m3，才能收回投资；②水平段长度相同时，改造段数增加所需边界产量增加幅度更大，如：水平段1 500 m时，裂缝密度从100 m/段减小到50 m/段时，产量需增加约600×104m3，才可收回投资；③水平段长度和改造段数相同时，所需边界产量随着改造强度增大而增加，如：当水平段为1 500 m、裂缝密度100 m/段的水平井，当加砂强度增加0.5 t/m，产量需增加约260×104m3，才能收回投资。因此，超长水平段水平井、细分切割分段压裂、体积压裂等工艺技术增加投资的同时，需要更高的经济边界产量才能收回投资成本。

4 压裂工程参数经济性及敏感性研究

筛选苏里格致密气生产2年以上的200余口水平井，整理每口单井投资，依据生产实际、地层压力、储层条件等数据拟合预测水平井EUR，采集现场实际生产成本，测算收益率6%时的单井净现值。将不同范围区间的压裂工程参数[11- 12]与关键经济指标做趋势图，分析对单井投资、净现值、回收期、盈利指数[13]的影响。其中，净现值评价适用于长期投资决策, 是多方案比选和参数比较的重要评价指标；投资回收期可作为方案选择和参数排队的次要评价指标；盈利指数(PIR=净现值/投资)指标能消除投资规模差异，比较单位投资的收益。最后，以净现值、盈利指数最大和投资回收期最短为原则，优选经济效益最佳的压裂工程参数，并开展参数经济敏感性分析，为下一步工程参数优化提供投资决策支持。

4.1 水平段长度

由图8所示,单井投资随着水平段长度增大而增大；水平段长度小于2 200 m时净现值增幅明显,超过2 200 m时 ,净现值增幅变缓；水平段长度小于1 800 m投资回收期逐渐减小，1 800 m以上投资回收期变化幅度很小，平均回收期约2年；水平段长度大于2 000 m时盈利指数PIR变化幅度很小。综上述，推荐致密气水平井经济效益较优的水平段长度在1 800～2 200 m之间。

图8 不同水平段长度和投资、经济指标趋势图

4.2 压裂段数

由图9所示,针对水平段长度1 500 m的水平井进行不同压裂段数的经济性评价，投资随着压裂段数增大而逐渐增大；12段时(段间距约120 m)净现值、投资回收期和盈利指数最优。同时发现，当水平段长度一定，只增加压裂段数，采气速度明显提高，回收期缩短，然而控制储量不变，EUR增加有限，因此盈利指数和净现值变化幅度不大。综上述，推荐致密气水平井段间距约为120 m/段时经济效益较优的压裂段数。

图9 不同压裂段数和投资、经济参数回归分析图

4.3 砂液强度

由图10所示，针对水平段长度1 500 m、压裂10段的水平井进行不同压裂规模的经济性评价，单井投资随着砂液强度增大而增大；砂液强度为4.5 t/m2·m3时(加砂强度0.8～1.0 t/m、进液强度4～5 m3/m)，投资、净现值和盈利指数经济指标最优。然而，提高砂液强度虽然可以增加裂缝长度和缝网复杂程度，提高储层接触面积和渗流速度，增大砂液强度一定程度上可以提高单井最终产能，但巨大的压裂液对致密砂岩气藏造成储层伤害和水锁影响，严重制约了气藏采收率的提高，限制单井经济效益增加。因此，推荐致密砂岩气藏水平井加砂强度0.8～1.0 t/m、进液强度4～5 m3/m时经济效益较优的砂液强度。

图10 不同砂液强度和投资、经济参数回归分析图

4.4 经济敏感性分析

对于气价、产量和投资进行经济敏感性分析[14- 15]，其中投资高低与压裂工程参数大小紧密相关，因此通过分析可以明确每个参数对单井经济效益的影响程度。将工程参数以基准值变化幅度50%时影响的投资和产出测算经济指标的敏感系数,见图11。由图11分析结果表明：除气价和产量对效益影响较大外，工程参数中压裂段数影响最大，水平段长度和砂液强度排在第二和第三。因此，为使致密气水平井效益最大化，需进一步优化压裂段数和水平段长度。

图11 不同技术参数经济敏感性

5 结论与建议

(1)本文通过分析苏里格致密气水平井投资构成，以水平段长度、压裂段数和砂液量等压裂工程参数，回归建立了水平井压裂工程参数投资测算模型，该模型亦能准确测算超长水平井、细分切割压裂、体积压裂等新压裂技术井投资，与实际结算费用回归拟合精度较高。

(2)影响水平井产出EUR的因素主要为地质、工程和生产制度三大类。其中压裂工程参数改变地质储层条件大幅提高气井采收率，是影响EUR的主控因素，并通过单因素分析明确了这些工程参数对EUR不同程度的增产作用和趋势关系。

(3)建立了对投资影响较大的水平段长度、压裂段数、压裂规模三个压裂工程参数与经济边界产量的模型，绘制压裂工程参数经济边界产量图版，明确压裂工程参数、投资与边界产量之间的关系。

(4)测算苏里格致密气生产满年以上的200余口水平井单井效益，分析水平段长度、段数、改造强度等压裂工程参数与投资、净现值、回收期、盈利指数的关系，以净现值、盈利指数最大和投资回收期最短为原则 , 同时参考经济敏感性分析结果压裂段数>水平段长度>砂液强度，优化苏里格致密气水平井经济效益最优的压裂工程参数(建议水平段长度1 800～2 200 m，压裂段数以段间距约为120 m/段时较优，砂液强度参考加砂强度0.8～1.0 t/m、进液强度4～5 m3/m)，为下一步致密气效益开发提供技术经济一体化决策支持。