郭 瑞，劉辰星

(1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100101；2.中海油研究總院，北京 100101)

0 引 言

隨著天然氣資源開發(fā)利用的程度不斷深入，地質(zhì)條件較好的常規(guī)天然氣資源越來越少，勘探難度逐漸增大。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展勢必導(dǎo)致能源需求的增加，常規(guī)天然氣供需缺口也越來越大[1]。頁巖氣資源量豐富，隨著開采技術(shù)的進(jìn)步，原本無經(jīng)濟(jì)效益的邊界資源正逐步變得經(jīng)濟(jì)可采，近年來受到人們的持續(xù)關(guān)注[2]。頁巖氣資源能否經(jīng)濟(jì)開采，很大程度上取決于成本的高低。因此，對影響頁巖氣資源開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的成本因素進(jìn)行分析有助于厘清操作成本的變動因素。在常規(guī)天然氣操作成本估算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖氣資源開發(fā)的特殊性，建立適合頁巖氣開發(fā)成本估算的方法，將極大幫助頁巖氣開發(fā)項(xiàng)目的投資決策。

國內(nèi)頁巖氣資源勘探開發(fā)的時(shí)間較短，相關(guān)研究并不充分，研究主要集中于常規(guī)油氣資源的成本預(yù)測[3-5]、比較分析[6-7]、非常規(guī)資源潛力評價(jià)[8-10]等方面。國外關(guān)于頁巖氣資源的相關(guān)研究包括成本變化[11-13]、生產(chǎn)技術(shù)分析[14-16]、新技術(shù)投入的成本學(xué)習(xí)曲線[17-20]等。現(xiàn)有文獻(xiàn)均為對頁巖氣開發(fā)前景進(jìn)行分析或從生產(chǎn)數(shù)據(jù)角度進(jìn)行研究，針對頁巖氣開發(fā)成本估算的系統(tǒng)研究相對欠缺。

本文首先對頁巖氣與常規(guī)天然氣在氣體成分、來源、賦存方式、成藏地質(zhì)條件、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)周期、采收率等方面的異同進(jìn)行分析，找出頁巖氣開發(fā)的特殊性，并對頁巖氣成本項(xiàng)目進(jìn)行分析，找出關(guān)鍵成本動因；其次，根據(jù)影響頁巖氣成本變動的關(guān)鍵因素及產(chǎn)量遞減規(guī)律與學(xué)習(xí)效應(yīng)，分別建立了基于產(chǎn)量、井?dāng)?shù)成本定額遞增的成本估算方法和基于產(chǎn)量遞減規(guī)律、學(xué)習(xí)效應(yīng)的成本預(yù)測方法；最后，綜合以上研究以期為頁巖氣資源的高效開發(fā)利用提供支持。

1 頁巖氣開發(fā)成本分析

1.1 頁巖氣與常規(guī)天然氣的比較分析

頁巖氣是以吸附和游離兩種狀態(tài)存在于頁巖層中的非常規(guī)天然氣，主要成分是甲烷，除此之外還有少量的重?zé)N、氮?dú)?、二氧化碳和惰性氣體[2]。由于滲透率極低，頁巖中釋放天然氣緩慢，導(dǎo)致頁巖氣開發(fā)利用時(shí)間較晚。頁巖氣在氣體成分上與常規(guī)天然氣大致相同，主要成分均是甲烷，但頁巖氣中甲烷含量在90%以上，常規(guī)天然氣中其他氣體成分變化相對較大。頁巖氣與常規(guī)天然氣均是優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，可以混輸混用。

頁巖氣與常規(guī)天然氣的不同主要體現(xiàn)在氣體來源、賦存方式、成藏地質(zhì)條件、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)周期、采收率等方面(表1)[10]。頁巖層儲層滲透率低、孔隙度低，需要采用水平井加水力壓裂的開采方式，由于頁巖氣產(chǎn)量遞減速度快，在氣田內(nèi)要不斷打新井進(jìn)行產(chǎn)量接替，并且生產(chǎn)過程中還需對儲層進(jìn)行重復(fù)壓裂，因此頁巖氣開采前期投資及生產(chǎn)過程中的持續(xù)投資均高于常規(guī)天然氣。

表1 頁巖氣與常規(guī)天然氣的比較Table 1 Comparison of shale gas and conventional natural gas

1.2 頁巖氣開發(fā)成本動因分析

頁巖氣開發(fā)成本包括建設(shè)期的鉆完井投資、工程投資、后續(xù)接替井投資、生產(chǎn)作業(yè)維護(hù)等費(fèi)用。通過對頁巖氣與常規(guī)天然氣開發(fā)特性的比較分析可知，頁巖氣開發(fā)成本按成本項(xiàng)目劃分應(yīng)包括開發(fā)投資費(fèi)用及操作費(fèi)，其中開發(fā)投資費(fèi)用主要是鉆完井投資費(fèi)及工程投資費(fèi)，作業(yè)費(fèi)包括直接材料費(fèi)、直接燃料費(fèi)、直接動力費(fèi)、直接人員費(fèi)、頁巖氣凈化費(fèi)、井下作業(yè)費(fèi)、動態(tài)監(jiān)測費(fèi)、維護(hù)及修理費(fèi)、采樣化驗(yàn)費(fèi)、水處理費(fèi)、輸氣費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)等。根據(jù)劃分的頁巖氣成本項(xiàng)，采用相關(guān)因素法分析成本動因見表2。成本動因包括頁巖氣井?dāng)?shù)、采氣量、水處理量等。

表2 頁巖氣開發(fā)成本動因分析Table 2 Analysis of shale gas development cost drivers

2 基于產(chǎn)量、井?dāng)?shù)成本定額的成本估算方法

從成本的動因入手估算開發(fā)成本，需要確定驅(qū)動各項(xiàng)成本因素以及相應(yīng)的費(fèi)用定額。分析可知成本動因包括頁巖氣井?dāng)?shù)、采油氣量、水處理量等，費(fèi)用定額的取定應(yīng)參考同類區(qū)塊或相似區(qū)塊的操作成本數(shù)據(jù)，并綜合考慮開發(fā)區(qū)塊的地理位置、開采方式、地面工藝流程和單井產(chǎn)量等因素。

頁巖氣產(chǎn)量和井?dāng)?shù)是影響成本最為關(guān)鍵的驅(qū)動因素，綜合產(chǎn)量和井?dāng)?shù)關(guān)鍵動因，并考慮成本實(shí)際，構(gòu)建基于產(chǎn)量、井?dāng)?shù)成本定額遞增的成本估算法，其計(jì)算公式見式(1)。

Ct=Cpwf+Cpww×Nt+Cpwp×Qt+

Cpwwater×Qwt+(Iw+Ie)×Nt

(1)

式中：Ct為第t年總成本；Cpwf為成本中與產(chǎn)量、井?dāng)?shù)無關(guān)的部分；Cpww為與井?dāng)?shù)相關(guān)的操作成本定額；Cpwp為與產(chǎn)量相關(guān)的操作成本定額；Cpwwater為與水處理相關(guān)的操作成本定額；Nt為第t年投產(chǎn)井?dāng)?shù)；Qt為第t年產(chǎn)量；Qwt為第t年水處理量；Iw為單井投資定額；Ie為單井工程投資定額。

與常規(guī)油氣開發(fā)不同的是，頁巖氣開發(fā)采用水力壓裂增產(chǎn)消耗大量的水資源并產(chǎn)生大量的返排水，可能還有采出水，返排水需要進(jìn)行處理再根據(jù)情況進(jìn)行回注或排放，返排水回注時(shí)可按照壓裂液的成本進(jìn)行估算。

3 考慮產(chǎn)量遞減規(guī)律和學(xué)習(xí)效應(yīng)的操作成本估算方法

隨著頁巖氣開發(fā)的深入，開采難度增加，產(chǎn)量不斷衰減，單位產(chǎn)量操作成本伴隨著產(chǎn)量的衰減、開采難度的提高而逐漸上升[16]。同時(shí)，豐富的氣藏資料使得人們加深了對氣藏的認(rèn)識，開采工藝不斷調(diào)整，直到與氣藏條件相適應(yīng)。除此之外，現(xiàn)場作業(yè)者作業(yè)經(jīng)驗(yàn)更加豐富，并能積極地采取有效的措施降低成本。作業(yè)工藝的完善和作業(yè)者經(jīng)驗(yàn)的增加提高了作業(yè)效率，這種學(xué)習(xí)過程降低了單位產(chǎn)量操作成本[18]。頁巖氣田操作成本預(yù)測模型的建立基于資源衰減引起的單位操作成本上升和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累帶來單位操作成本下降兩方面因素，即采用產(chǎn)量遞減規(guī)律及學(xué)習(xí)曲線來描述頁巖氣田操作成本變化規(guī)律。

3.1 產(chǎn)量遞減規(guī)律下的操作成本估算

1) 上產(chǎn)期和穩(wěn)產(chǎn)期操作成本估算方法。頁巖氣開發(fā)過程中，若不考慮新增生產(chǎn)設(shè)施，頁巖氣田穩(wěn)產(chǎn)期的操作成本將維持穩(wěn)定。穩(wěn)產(chǎn)期年操作成本由穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量和單位操作成本求得，穩(wěn)產(chǎn)期操作成本計(jì)算公式見式(2)。

Copt=c0×q0，t∈n2

(2)

上產(chǎn)階段隨著生產(chǎn)設(shè)施陸續(xù)投入使用，產(chǎn)能逐步達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)期水平，體現(xiàn)在操作費(fèi)上呈現(xiàn)出初期操作費(fèi)較低，隨后逐步增加并在穩(wěn)產(chǎn)期保持穩(wěn)定的特點(diǎn)。因此，可以近似地用上產(chǎn)期產(chǎn)量和單位操作成本來表示上產(chǎn)期氣田年操作成本，其計(jì)算公式見式(3)。

Copt=c0×qt，t∈n1

(3)

式中：Copt為第t年操作成本；n1為開發(fā)上產(chǎn)期；n2為開發(fā)穩(wěn)產(chǎn)期；n3為遞減期；c0為穩(wěn)產(chǎn)期單位產(chǎn)量操作成本；q0為穩(wěn)產(chǎn)期產(chǎn)量；qt為第t年產(chǎn)量。

2) 遞減期操作成本估算方法。在頁巖氣開發(fā)過程中，為了保證油氣的穩(wěn)定供應(yīng)，必須采取打接替井的方式保證穩(wěn)產(chǎn)。單位產(chǎn)量操作成本反映了單位產(chǎn)出的平均投入，能夠有效地評價(jià)措施效果進(jìn)而判斷增產(chǎn)極限。增產(chǎn)措施經(jīng)濟(jì)極限可以采用措施前后單位產(chǎn)量操作成本的比較來確定，如果采取措施后的單位操作成本低于不采取措施的遞減期單位操作成本，就會刺激措施作業(yè)的投入；如果措施后的單位操作成本高于不采取措施的遞減期單位操作成本，則維持原生產(chǎn)[12]。在頁巖氣開發(fā)產(chǎn)量遞減階段，若不采取任何增產(chǎn)措施，操作成本中的固定部分基本維持穩(wěn)定，可變部分會隨著生產(chǎn)井?dāng)?shù)量減少及產(chǎn)量下降有一定程度的降低，而單位操作成本會呈現(xiàn)出增加的趨勢[16]。遞減期的操作成本可以用穩(wěn)產(chǎn)期年操作成本、遞減期生產(chǎn)井?dāng)?shù)、與井?dāng)?shù)無關(guān)的其他費(fèi)用近似計(jì)算得到，計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中：Npwt為頁巖氣開發(fā)遞減期第t年生產(chǎn)井?dāng)?shù)；N0為穩(wěn)產(chǎn)期生產(chǎn)井?dāng)?shù)；Cot為第t年與井?dāng)?shù)無關(guān)的其他費(fèi)用。

3.2 成本學(xué)習(xí)效應(yīng)

成本學(xué)習(xí)曲線用來描述隨著技術(shù)的發(fā)展以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，未來成本呈下降趨勢的情況。成本學(xué)習(xí)曲線問題需要從兩個(gè)方面考慮，一方面是隨著技術(shù)的熟練、經(jīng)驗(yàn)的增加，成本逐漸降低，也就是所謂的實(shí)際操作的學(xué)習(xí)；另一方面是隨著時(shí)間推移，成本減少的純外部假設(shè)，也就是非實(shí)際操作的學(xué)習(xí)[17]。頁巖氣開發(fā)技術(shù)無疑存在成本降低(主要體現(xiàn)在鉆完井投資費(fèi)用和生產(chǎn)操作費(fèi)上)，如美國頁巖氣的生產(chǎn)在過去幾年就有著明顯的成本降低[15]。

成本學(xué)習(xí)曲線基于4個(gè)參數(shù)：規(guī)定年度的累積產(chǎn)量(Q0)，第t年的累積產(chǎn)量(Qt)，不考慮學(xué)習(xí)效應(yīng)時(shí)的操作成本(Copt)，學(xué)習(xí)比率(LR)，考慮成本學(xué)習(xí)效應(yīng)的操作成本計(jì)算公式見式(5)和式(6)。

(5)

(6)

需要注意參數(shù)的選取存在很大的不確定性，BRAHMI[18]基于美國累積原油生產(chǎn)給出了5%的學(xué)習(xí)比率，MCDONALD[19]對北海原油生產(chǎn)給出了25%的學(xué)習(xí)比率。學(xué)習(xí)比率結(jié)果的差別會導(dǎo)致成本降低的估算上存在較大差別，實(shí)際工作中隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的增加，應(yīng)對學(xué)習(xí)比率進(jìn)行不斷擬合，進(jìn)而修正到最合理的區(qū)間。學(xué)習(xí)比率會受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、人員、地理等因素影響，是綜合各項(xiàng)因素的集中反映。

3.3 結(jié)合產(chǎn)量遞減規(guī)律與學(xué)習(xí)效應(yīng)的操作成本預(yù)測方法

考慮頁巖氣開采的產(chǎn)量遞減規(guī)律及學(xué)習(xí)效應(yīng)，建立的基于產(chǎn)量遞減規(guī)律和學(xué)習(xí)效應(yīng)的頁巖氣開發(fā)操作成本預(yù)測方法見式(7)。根據(jù)式(7)可對頁巖氣開發(fā)全周期成本進(jìn)行預(yù)測。

(7)

4 案例分析

某頁巖油氣田位于北美地區(qū)，占地面積約1 260 km2，經(jīng)估算剩余可采頁巖油418百萬桶，剩余可采頁巖氣2 868 512萬m3，剩余可采NGL240百萬桶。根據(jù)地下儲層條件初步設(shè)計(jì)開發(fā)方案，高峰期投產(chǎn)約400口井/a，隨后逐步降低到約70口井/a，平均井距0.04 km。高峰期產(chǎn)量油為45百萬桶/a，產(chǎn)氣量為283 170萬m3，NGL為25百萬桶/a，產(chǎn)量剖面如圖1所示，鉆完井及工程工作計(jì)劃如圖2所示。

圖1 頁巖油氣田產(chǎn)量剖面Fig.1 Production profile of shale oil and gas field

通過調(diào)研相似項(xiàng)目的開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該類頁巖油氣田單井鉆完井投資為600萬美元，單井工程設(shè)施投資為60萬美元，因單井投資數(shù)據(jù)來自對標(biāo)項(xiàng)目的多年投資數(shù)據(jù)取平均得到，故實(shí)際上已包含學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響，無需再次考慮。對標(biāo)得到高峰期操作費(fèi)5.6美元/桶，不含學(xué)習(xí)效應(yīng)的影響(通過對標(biāo)本文采用10%的學(xué)習(xí)比率估算操作費(fèi))。結(jié)合圖2的工作計(jì)劃，運(yùn)用成本估算公式可計(jì)算得該頁巖油氣田分年投資結(jié)果如圖3所示，分年操作費(fèi)如圖4所示。

圖2 鉆完井工作計(jì)劃Fig.2 Drilling and completion work plan

圖3 頁巖油氣田開發(fā)分年投資Fig.3 Annual capex of shale oil and gas development

圖4 頁巖油氣田開發(fā)分年操作費(fèi)Fig.4 Annual operation fee of shale oil and gas development

本文建立的兩種頁巖氣開發(fā)成本估算方法在該案例中結(jié)合使用，方便快捷地實(shí)現(xiàn)了成本估算。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)掌握數(shù)據(jù)的情況選擇基于井?dāng)?shù)、產(chǎn)量、水處理量的估算方法或基于產(chǎn)量遞減規(guī)律和學(xué)習(xí)效應(yīng)的估算方法，考慮學(xué)習(xí)效應(yīng)實(shí)際上是對常規(guī)成本估算方法的補(bǔ)充完善。

5 結(jié) 論

頁巖氣是未來天然氣資源的重要補(bǔ)充，開發(fā)潛力巨大。本文對頁巖氣資源的開發(fā)成本進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，分別構(gòu)建了基于產(chǎn)量、井?dāng)?shù)成本定額的成本估算方法和基于產(chǎn)量遞減規(guī)律、學(xué)習(xí)效應(yīng)的頁巖氣操作成本估算方法，得到的主要結(jié)論如下所述。

1) 頁巖氣與常規(guī)天然氣在氣體成分上基本相同，不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在氣體來源、賦存方式、成藏地質(zhì)條件、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)周期、采收率等方面，其中成藏地質(zhì)條件與生產(chǎn)方式的不同是頁巖氣操作成本估算區(qū)別于常規(guī)天然氣的主要方面。

2) 通過對頁巖氣開發(fā)成本項(xiàng)目的分析，直接材料費(fèi)、設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)、直接燃料費(fèi)、直接動力費(fèi)、井下作業(yè)費(fèi)、動態(tài)監(jiān)測費(fèi)、采樣化驗(yàn)費(fèi)、維護(hù)及修理費(fèi)、廠礦管理費(fèi)的成本變動因素可歸集為頁巖氣井?dāng)?shù)；頁巖氣凈化費(fèi)、輸氣費(fèi)的成本變動因素可歸集為采氣量；水處理費(fèi)的成本變動因素可歸集為水處理量。

3) 根據(jù)歸集的頁巖氣成本變動因素建立的基于產(chǎn)量、井?dāng)?shù)成本定額的成本估算方法(考慮水處理成本)，從成本動因出發(fā)以更加真實(shí)地反映操作成本變化過程。構(gòu)建的估算模型僅涵蓋井?dāng)?shù)、采氣量、水處理量三個(gè)主要參數(shù)，但能夠體現(xiàn)每個(gè)頁巖氣操作成本項(xiàng)目的影響，在簡化詳細(xì)估算法的同時(shí)保證了估算結(jié)果的可靠性，在一定參考數(shù)據(jù)的情況下可采用該方法進(jìn)行估算。針對頁巖氣生產(chǎn)過程中，產(chǎn)量遞減造成的單位操作成本上升和頁巖氣生產(chǎn)過程中成本學(xué)習(xí)效應(yīng)的存在，本文建立的基于產(chǎn)量遞減規(guī)律與學(xué)習(xí)效應(yīng)的操作成本預(yù)測方法能夠反映這種客觀規(guī)律，該方法應(yīng)用的重點(diǎn)在于確定合理的學(xué)習(xí)比率，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)掌握數(shù)據(jù)的情況選擇合適的估算方法。