頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)值模擬：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和機(jī)遇

鮮成鋼

斯倫貝謝公司中國地球科學(xué)與石油工程研究院

頁巖氣地質(zhì)工程一體化理念在國內(nèi)已經(jīng)被廣泛接受[1-3]，該理念最早是在我國川南海相頁巖氣開發(fā)中被較系統(tǒng)明確提出和闡述的[1]。四川盆地及周緣海相頁巖氣區(qū)很難套用北美大規(guī)模、高密度、連片化布井的開發(fā)模式。與北美商業(yè)化開發(fā)的頁巖氣區(qū)相比，中國頁巖氣開發(fā)在地質(zhì)、儲層、工程、地表、地貌、環(huán)境生態(tài)、水資源、基礎(chǔ)設(shè)施等方面存在更多的與基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素等相關(guān)的挑戰(zhàn)，這對中國頁巖氣開發(fā)提出了非常高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和要求，必須工程作業(yè)效率和開發(fā)效益并重，在獲得產(chǎn)能重大突破的基礎(chǔ)上降本增效。地質(zhì)工程一體化是發(fā)揮綜合技術(shù)優(yōu)勢，避開北美昂貴的學(xué)習(xí)曲線，實現(xiàn)中國頁巖氣開發(fā)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵途徑。它是以油氣藏認(rèn)識為核心，在勘探開發(fā)進(jìn)程中，在作業(yè)和工程實踐中，通過一體化研究和一體化作業(yè)的及時互動，不斷深化油氣藏認(rèn)識、持續(xù)優(yōu)化工程應(yīng)用，提高作業(yè)效率和開發(fā)效益[1-3]。

1 頁巖氣地質(zhì)工程一體化核心內(nèi)涵新 模型

地質(zhì)工程一體化有從單井尺度、平臺或多井局部尺度拓展到整個氣田開發(fā)宏觀全局尺度的強(qiáng)烈需求。結(jié)合國內(nèi)頁巖氣地質(zhì)工程一體化實施經(jīng)驗[1-2]，進(jìn)一步豐富和發(fā)展了地質(zhì)工程一體化理念和核心內(nèi)涵，提出了頁巖氣地質(zhì)工程一體化核心內(nèi)涵新模型（圖1）。該模型從全局的角度，把開發(fā)工程融入地質(zhì)工程一體化研究和作業(yè)中，是以地質(zhì)工程一體化研究為重要支撐，在多學(xué)科、多部門一體化共享模型的基礎(chǔ)上，從總體上評價儲層品質(zhì)、完井品質(zhì)和鉆井品質(zhì)[1]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各項工程實施部署及作業(yè)流程，通過適時建模等技術(shù)手段，從單井、平臺、全氣田多尺度，動態(tài)支持和優(yōu)化鉆井工程、完井及改造工程、生產(chǎn)工程和開發(fā)工程四大工程應(yīng)用。

圖1 頁巖氣地質(zhì)工程一體化核心內(nèi)涵新模型

在本文中，生產(chǎn)工程是指單井或平臺如返排管理、油嘴制度、生產(chǎn)協(xié)調(diào)、人工舉升、井下作業(yè)等生產(chǎn)管理和優(yōu)化相關(guān)的工程措施，與英文Production Engineering相對應(yīng)；開發(fā)工程指在氣田或開發(fā)區(qū)塊整體尺度，與布井、井距、開發(fā)部署、方案調(diào)整、開發(fā)技術(shù)政策等相關(guān)的工程應(yīng)用和方案。鉆井工程在保證井筒完整性的基礎(chǔ)上，要以最有利于完井改造為設(shè)計和施工目標(biāo)；完井及改造工程服務(wù)于最大化單井產(chǎn)量、實現(xiàn)產(chǎn)量突破和高產(chǎn)為優(yōu)化目標(biāo)；生產(chǎn)工程主要目的是最大化單井預(yù)測最終可采儲量（Estimated Ultimate Recovery，簡稱EUR）和單井設(shè)計生產(chǎn)年限內(nèi)的凈現(xiàn)值（Net Present Value，簡稱NPV）；開發(fā)工程的終極目標(biāo)是通過優(yōu)化開發(fā)方案和開發(fā)技術(shù)政策，實現(xiàn)一定投資規(guī)模條件下全氣田采收率最大化和全資產(chǎn)收益最優(yōu)化。

地質(zhì)工程一體化綜合研究是支撐地質(zhì)工程一體化作業(yè)的重要技術(shù)保障之一，根據(jù)不同的勘探開發(fā)對象，可以針對性地定義和定制地質(zhì)工程一體化綜合研究的主要內(nèi)容和各種工程系統(tǒng)的主要應(yīng)用。它需要建立多學(xué)科、多部門、不斷更新的從一維到三維的一體化共享模型。該模型主要包括地球物理及地質(zhì)模型、構(gòu)造（斷裂）及天然裂縫模型、地質(zhì)力學(xué)模型、從單井到多井的水力壓裂縫網(wǎng)模型以及從單井到全油氣田的數(shù)值模擬模型。在頁巖氣地質(zhì)工程一體化核心內(nèi)涵新模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)長寧國家級頁巖氣示范區(qū)開發(fā)建設(shè)的具體實踐[2]，對頁巖氣地質(zhì)工程一體化在工程中的主要應(yīng)用進(jìn)行了概括和總結(jié)（圖2）。

圖2 頁巖氣地質(zhì)工程一體化在工程中的主要應(yīng)用

2 非常規(guī)油氣藏建模及數(shù)值模擬現(xiàn)狀及 進(jìn)展

根據(jù)公開文獻(xiàn)報道，從三維建模、壓裂模擬和數(shù)值模擬3個方面，簡要概括國內(nèi)外非常規(guī)油氣藏建模及數(shù)值模擬的現(xiàn)狀及進(jìn)展。

2.1 北美非常規(guī)油氣藏建模及數(shù)值模擬現(xiàn)狀及進(jìn)展

2.1.1 三維建模（包括三維地質(zhì)力學(xué)建模）

總體上，北美三維地學(xué)建模[4]（包括地質(zhì)力學(xué)建模[5]） 起步較早，但全油氣田尺度的應(yīng)用案例相對較少。強(qiáng)烈的非均質(zhì)性是非常規(guī)油氣藏的重要特征，這種非均質(zhì)性在不同尺度又具有非常強(qiáng)的差異。如何有效地綜合巖心、測井和地震這些具有不同尺度的數(shù)據(jù)，使非常規(guī)儲層的非均質(zhì)性在三維模型中得到合理和可靠的表征，是建模和數(shù)模工作重要的基礎(chǔ)。在過去幾年中，北美發(fā)展并實踐了“非均質(zhì)非常規(guī)油氣藏多尺度一體化表征”方法[6-8]（圖3）。其中，地震非均質(zhì)性分析 (Seismic Heterogeneous Rock Analysis)概念及工作流程是其中一項較突出的技術(shù)[6-7]（圖3）。遺憾的是，這套針對性和實踐性都很強(qiáng)的方法，除了在Haynesville的盆地級別研究中有應(yīng)用之外，在公開發(fā)表的其他文獻(xiàn)中沒有看到更多應(yīng)用實例，這套技術(shù)在國內(nèi)一體化研究和建模工作中值得借鑒、應(yīng)用和發(fā)展。

圖3 非均質(zhì)非常規(guī)油氣藏多尺度一體化表征方法

2.1.2 非常規(guī)儲層一體化水力壓裂建模

北美水力壓裂建模及模擬技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)形成較系統(tǒng)和完善的非常規(guī)油氣藏壓裂縫網(wǎng)建模、一體化壓裂建模及評估技術(shù)、與現(xiàn)代壓裂工藝相匹配的壓裂建模技術(shù)、全耦合建模及數(shù)模技術(shù)等，并廣泛應(yīng)用于儲層改造設(shè)計、后評估及優(yōu)化研究[9-27]。儲層改造效果評價和改造參數(shù)優(yōu)化很大程度上取決于水力裂縫模型的準(zhǔn)確性或可靠性。在非常規(guī)儲層所期望達(dá)到的縫網(wǎng)或體積改造中，天然裂縫系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用[10]。北美目前的水力壓裂模擬器已經(jīng)可以處理三維天然裂縫系統(tǒng)，近期又進(jìn)一步拓展到多期次（多套）復(fù)雜天然裂縫系統(tǒng)儲層的水力壓裂縫網(wǎng)建模及模擬[21]。這種技術(shù)對于我國普遍經(jīng)受過多次強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動改造的頁巖儲層來說，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值，但其對天然裂縫系統(tǒng)的建模提出了更高要求。應(yīng)力陰影是水力壓裂設(shè)計、建模和施工中需要考慮的重要內(nèi)容。近年來已經(jīng)可以在簡單的一維水力裂縫到二維復(fù)雜水力裂縫縫網(wǎng)中考慮應(yīng)力陰影的影響[10]，近期基于以二疊紀(jì)盆地為代表的立體布井實踐，把這項工作拓展到了三維建模[21]。

2.1.3 非常規(guī)油氣藏數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)在非常規(guī)油氣藏也得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，隨著新一代高性能數(shù)值模擬器的出現(xiàn)，以Fan Li等[28]為代表的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等效數(shù)模技術(shù)轉(zhuǎn)向了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格高分辨率數(shù)模技術(shù)，從而更好地模擬水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)動態(tài)。同時，北美發(fā)展了“水力壓裂、地質(zhì)力學(xué)和油氣藏動態(tài)全耦合數(shù)?！奔夹g(shù)（圖4），考慮壓裂過程中和生產(chǎn)過程中孔隙壓力變化引起的就地應(yīng)力場改變，主要應(yīng)用于水力沖擊壓裂（FracHit）、井距優(yōu)化、加密鉆井、重復(fù)壓裂、高密度或立體復(fù)雜井網(wǎng)等研究[14-27]。從公開報道的文獻(xiàn)看，由于這項技術(shù)應(yīng)用的復(fù)雜性，目前主要在一個平臺范圍內(nèi)的井組開展針對單井、雙井或多井的研究工作。

2.1.4 云計算技術(shù)

圖4 水力壓裂、地質(zhì)力學(xué)和油氣藏動態(tài)全耦合數(shù)值模擬技術(shù)

從儲層品質(zhì)、完井品質(zhì)、改造參數(shù)等方面，改造優(yōu)化需要考慮的影響因素或參數(shù)很多[28-37]，而數(shù)學(xué)模型越來越復(fù)雜，運(yùn)算量越來越大。北美開始采用云計算技術(shù)，結(jié)合多因素不確定性優(yōu)化技術(shù)，擺脫單因素或多因素統(tǒng)計分析及有限模擬方案研究的局限性，更高效、更全面地掌握產(chǎn)能主控因素和主要作業(yè)優(yōu)化參數(shù)。斯倫貝謝公司近期實施的一個Wolfcamp致密油改造優(yōu)化研究項目，使用云計算技術(shù)運(yùn)行了超過1200多個復(fù)雜縫網(wǎng)模擬方案，形成了基于主控成分的最優(yōu)化“穹頂”或者最優(yōu)化域“空間分布”，使改造優(yōu)化認(rèn)識的實用性和適用性得到了極大提高。

2.1.5 從地球物理到數(shù)值模擬一體化三維建模

在頁巖氣田開發(fā)建產(chǎn)階段，北美很少有在全氣田尺度涵蓋從地球物理儲層反演和預(yù)測、構(gòu)造及地質(zhì)建模、地質(zhì)力學(xué)建模、水力壓裂建模及數(shù)值模擬的全方位、全過程的一體化建模及數(shù)模案例。尤其是非常規(guī)油氣藏全油氣田數(shù)值模擬，迄今還沒有看到北美公開報道的案例。Suarez等[4-8]較早在盆地級別開展從地球物理到地質(zhì)力學(xué)一體化三維建模工作，但總體上北美對地球物理資料綜合運(yùn)用的案例相對較少。究其原因，可能是北美頁巖油氣主要產(chǎn)區(qū)地質(zhì)條件較好，擁有大量的井資料，能夠以井資料為主建立較可靠的三維構(gòu)造及地質(zhì)模型。近期Liang等[15，25]發(fā)表的案例，很好地展示了如何以1100口直井測井資料為基礎(chǔ)，建立高分辨率三維構(gòu)造及地質(zhì)模型、地質(zhì)力學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上在典型平臺開展“水力壓裂、地質(zhì)力學(xué)和油氣藏動態(tài)全耦合”參數(shù)研究及敏感性分析。這個案例是北美公開發(fā)表、為數(shù)不多的氣田尺度三維一體化建模實例，但沒有表明其使用了三維地震數(shù)據(jù)。

2.2 國內(nèi)頁巖氣建模及數(shù)值模擬現(xiàn)狀及進(jìn)展

與北美相比，我國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)的資料基礎(chǔ)尤其是井資料基礎(chǔ)非常薄弱，因此從一開始就非常重視地球物理資料的采集、應(yīng)用和深度挖掘。在我國頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模、數(shù)值模擬研究及實踐中，最初就涵蓋了地球物理儲層反演和預(yù)測、構(gòu)造及地質(zhì)建模、地質(zhì)力學(xué)建模、水力壓裂建模和數(shù)值模擬的全方位、全過程[1-2]，而近期的工作又將頁巖氣數(shù)值模擬從平臺尺度拓展到了全氣田尺度。

我國主要頁巖氣儲層均經(jīng)歷了多期次強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)烈改造，發(fā)育非常復(fù)雜的斷裂和天然裂縫系統(tǒng)，對其建模的精度和可靠性將直接影響地質(zhì)力學(xué)建模和水力壓裂縫網(wǎng)建模的精度和可靠性。因此，在我國頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模研究中，斷裂和天然裂縫系統(tǒng)建模是承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過多年實踐和探索，逐漸形成和發(fā)展了與復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動背景相匹配的多尺度斷裂及天然裂縫系統(tǒng)建模方法和質(zhì)量控制流程[37-38]。復(fù)雜的構(gòu)造及微構(gòu)造、斷裂和天然裂縫系統(tǒng)，形成了復(fù)雜多變的現(xiàn)今就地應(yīng)力格局和分布，對三維地質(zhì)力學(xué)建模提出了非常高的要求。在過去幾年的地質(zhì)工程一體化建模研究中，發(fā)展和完善了針對性的三維地質(zhì)力學(xué)建模流程和方法[39-41]。由于我國頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模面對的研究對象更為復(fù)雜，井控資料相對匱乏，在實踐中采用了與鉆完井作業(yè)進(jìn)程相匹配的“適時建?！保↙ive Modeling）方法，不斷利用各種可以利用的新數(shù)據(jù)和新資料質(zhì)控和更新各種模型，以提高模型精度，降低模型不確定性[37-40]。此外，在頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模的基礎(chǔ)上，運(yùn)用氣藏工程分析方法與單因素和多因素分析相結(jié)合，對產(chǎn)能主控因素開展較系統(tǒng)的分析和研究[42]。

寧201井區(qū)地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模研究[43]代表了該領(lǐng)域國內(nèi)發(fā)表的最新成果和進(jìn)展。針對示范區(qū)建設(shè)過程中存在的“Ⅰ類儲層鉆遇率較低、井筒完整性較差和體積壓裂效果仍需提高”等難題，在充分運(yùn)用地震儲層預(yù)測技術(shù)、測井儲層評價技術(shù)等綜合地質(zhì)評價的基礎(chǔ)上，發(fā)展完善了頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模技術(shù)。建立了涵蓋構(gòu)造、儲層、天然裂縫、地質(zhì)力學(xué)等各種要素的地質(zhì)工程一體化模型，定量刻畫了儲層關(guān)鍵地質(zhì)和工程參數(shù)在三維空間的展布規(guī)律，實現(xiàn)了頁巖氣藏的可視化，打造了“透明頁巖氣藏”[43]。

在寧201井區(qū)頁巖氣地質(zhì)工程一體化研究中，開展了水平井多級壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)模擬、雙井拉鏈?zhǔn)綁毫芽p網(wǎng)模擬、復(fù)雜縫網(wǎng)與氣藏及地質(zhì)力學(xué)動態(tài)耦合模擬等數(shù)值模擬工作，并在國內(nèi)首次嘗試了頁巖氣全氣田尺度的數(shù)值模擬研究。根據(jù)公開發(fā)表的文獻(xiàn)，國外尚未開展頁巖氣全氣田數(shù)值模擬研究工作。盡管一些專家和學(xué)者根據(jù)北美非常規(guī)油氣田開發(fā)實踐，認(rèn)為這種全氣田數(shù)值模擬模型的必要性值得商榷，但如果數(shù)值模擬的最終目標(biāo)是建立數(shù)字化頁巖氣田的核心動態(tài)模型，是為了實現(xiàn)整個氣田甚至多個氣田從地下到地面一體優(yōu)化，那么它應(yīng)當(dāng)是一項非常必要的工作。

3 頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)值模 擬面臨的挑戰(zhàn)

作為頁巖氣地質(zhì)工程一體化研究的重要支撐，一體化建模及數(shù)值模擬仍然存在諸多挑戰(zhàn)。對過去幾年在頁巖氣地質(zhì)工程一體化研究中開展的建模及數(shù)模工作進(jìn)行分析，從與鉆井、完井及改造、生產(chǎn)和開發(fā)四大工程系統(tǒng)緊密相關(guān)的應(yīng)用角度，在5個領(lǐng)域總結(jié)和提出了關(guān)鍵性的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

3.1 復(fù)雜天然裂縫系統(tǒng)定量表征

由于多期次、強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)烈改造，四川盆地及周緣的頁巖氣形成了復(fù)雜的斷裂（天然裂縫）系統(tǒng)。這也是與北美著名頁巖氣儲層相比，我國海相頁巖氣儲層一個顯著不同的地質(zhì)特點。同時，從鉆井取心和井筒電阻率成像測井上，可以觀測到垂向上發(fā)育層面縫和水平薄弱面。由于缺乏水平井成像測井等測量手段，單純依靠地球物理測井和直井取心，很難表征不同天然裂縫系統(tǒng)的產(chǎn)狀和幾何參數(shù)，而不同期次、不同尺度天然裂縫系統(tǒng)的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)更難直接測定。因此，天然裂縫系統(tǒng)定量表征和建模，仍然是一體化建模和數(shù)模中承上啟下的最不確定環(huán)節(jié)，直接影響著地質(zhì)力學(xué)模型和水力裂縫建模的可靠性和精度，同時也在一體化建模及數(shù)模過程中，制約地質(zhì)模型、地質(zhì)力學(xué)模型、水力裂縫模型和數(shù)模模型的尺度關(guān)聯(lián)與分辨率匹配。因此，復(fù)雜天然裂縫系統(tǒng)的定量表征，從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵參數(shù)測量到定量建模方法及流程，存在眾多需要不斷改進(jìn)和提高的細(xì)節(jié)或環(huán)節(jié)，是今后研究攻關(guān)的重要技術(shù)領(lǐng)域。

3.2 井筒完整性

在四川盆地頁巖氣開發(fā)中，尤其是在威遠(yuǎn)地區(qū)，壓裂中和壓裂后發(fā)生的套損現(xiàn)象比較普遍。而國外其他高構(gòu)造應(yīng)力背景的頁巖油氣儲層比如阿根廷的VacaMuerta，壓裂中和壓裂后發(fā)生的套損也比較嚴(yán)重。目前的套損研究，更多是集中在基于材料力學(xué)的靜力學(xué)研究，或者是基于地質(zhì)模型或施工響應(yīng)分析等開展的定性分析，不能充分考慮下套管、固井這些作業(yè)過程對套管初始內(nèi)應(yīng)力分布的影響，不能充分考慮在多級壓裂的動態(tài)受力條件下，套管、水泥環(huán)和儲層尤其是斷層或天然裂縫帶的相互作用。

3.3 平面（立體）加密井或立體布井

五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)海相頁巖段在部分地區(qū)厚度較大，通常為30m以上。而實踐表明，基于目前的改造技術(shù)和改造強(qiáng)度，水力裂縫的垂向有效支撐通常是10～20m，有的甚至可能小于10m。對已開發(fā)建產(chǎn)區(qū)實施平面甚至立體加密布井提高資源動用率和采出程度、對未開發(fā)新區(qū)開展立體布井部署，存在強(qiáng)烈的現(xiàn)實需求。在垂向改造可能受目前壓裂改造技術(shù)和工藝水平限制的情況下，要前瞻性探索五峰組—龍馬溪組頁巖立體開發(fā)的可能性和可行性（圖5）。

圖5 平面（立體）加密井或立體布井建模及數(shù)模研究示意圖

3.4 頁巖氣田全氣田數(shù)值模擬

坦率地說，頁巖氣田全氣田或全資產(chǎn)項目數(shù)值模擬目前還處在“解決有無和解決可行性”的層面，因為它在理論和技術(shù)上還存在巨大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要包括：由于涉及的系統(tǒng)眾多，參數(shù)復(fù)雜多變，各種關(guān)鍵參數(shù)的獲取比常規(guī)氣藏困難，參數(shù)不確定性高；各種獲取參數(shù)的實驗室方法和礦場試驗方法也有待進(jìn)一步突破，如應(yīng)力敏感性、水力裂縫有效性等；不同模型的不同尺度之間，精度、可靠性和計算效率之間，如何建立一致性工作流程并實現(xiàn)計算效率和計算精度平衡；在基礎(chǔ)理論領(lǐng)域，業(yè)界對納米孔隙的微觀滲流規(guī)律、高壓條件下納米孔隙中甲烷分子的吸附態(tài)和相態(tài)等[44]還存在巨大分歧，相關(guān)的數(shù)學(xué)模型還無法取得業(yè)界共識，還不能滿足大規(guī)模數(shù)值模擬計算和各種實際工程應(yīng)用的要求。

3.5 井筒動態(tài)和氣藏動態(tài)耦合

井筒水動力學(xué)對生產(chǎn)的影響及與氣藏動態(tài)的相互作用，在一定情況下，可以對頁巖氣井的生產(chǎn)動態(tài)和產(chǎn)能帶來不良影響，甚至影響到整個氣田的開發(fā)效果[45-55]。由于井筒傾角的變化和局部“微狗腿”的影響，氣水（壓裂液）兩相在井筒中可以形成非常復(fù)雜的流態(tài)。如圖6所示，根據(jù)實驗室觀察，氣、水兩相在局部起伏結(jié)構(gòu)可以形成多種流態(tài)，沿井筒的復(fù)雜流態(tài)和氣液分布，可以產(chǎn)生較大的附加阻力甚至形成“液鎖”，從而嚴(yán)重制約頁巖氣井產(chǎn)能[45-47，49]。返排和生產(chǎn)過程中強(qiáng)烈的段塞流動可以造成井底巨大的瞬時壓差變化，誘發(fā)支撐劑回吐和（或）高壓差對近井地帶水力裂縫導(dǎo)流能力和連通性的傷害，使頁巖氣井產(chǎn)能受到嚴(yán)重?fù)p害[47]。返排、生產(chǎn)尤其是生產(chǎn)中后期的舉升系統(tǒng)選擇和優(yōu)化，必須充分考慮井筒中復(fù)雜流態(tài)的制約和影響[49-52]。井筒復(fù)雜流態(tài)形成復(fù)雜生產(chǎn)動態(tài)這個問題，在我國頁巖氣開發(fā)中可能會更加突出，因為國內(nèi)頁巖氣儲層微構(gòu)造、微斷層發(fā)育，水平井軌跡局部變化更頻繁和劇烈，井筒內(nèi)可以出現(xiàn)極其復(fù)雜的流態(tài)和氣液分布。

圖6 局部起伏結(jié)構(gòu)形成的流態(tài)

4 頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)值模 擬的發(fā)展機(jī)遇

前文論述的挑戰(zhàn)，同時也是進(jìn)一步完善和發(fā)展頁巖氣一體化建模及數(shù)模技術(shù)的重要機(jī)遇：

（1）在一體化建模中，要把復(fù)雜斷裂及天然裂縫系統(tǒng)的定量化建模作為進(jìn)一步攻關(guān)的重點。在深度挖掘地震資料在裂縫建模中應(yīng)用的同時，強(qiáng)化與構(gòu)造地質(zhì)研究的互動和集成，通過對構(gòu)造和應(yīng)力演化史的物理模擬和數(shù)值模擬，從理論上掌握斷裂和裂縫發(fā)育機(jī)制和模式、不同期次裂縫系統(tǒng)相互作用、不同尺度裂縫尺度理論比例關(guān)系及其宏觀分布趨勢，指導(dǎo)定量化建模。強(qiáng)化采集高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)的同時，要注重在水平井采集高分辨率井筒成像數(shù)據(jù)，以期為裂縫系統(tǒng)的平面分布及裂縫參數(shù)提供更直接的測量數(shù)據(jù)。

（2）開展高壓高應(yīng)力頁巖氣多級壓裂水平井套損機(jī)理及對策研究，需要有針對性地設(shè)計相關(guān)材料力學(xué)實驗，進(jìn)行單井套損機(jī)理系統(tǒng)測井測量及綜合評價，在此基礎(chǔ)上，開展氣田—平臺—井筒多尺度全耦合動態(tài)建模及數(shù)值模擬，深入理解和掌握套損的動態(tài)機(jī)制（圖7），從而為套管設(shè)計、固井及完井壓裂優(yōu)化、生產(chǎn)管理提供更加準(zhǔn)確可靠的理論依據(jù)。

圖7 建議的高壓高應(yīng)力頁巖氣多級壓裂水平井套損機(jī)理及對策研究方法

（3）在平面、立體加密井或立體布井建模及數(shù)模研究中，除了考慮在平面或空間的井位優(yōu)化，還要充分研究原有井生產(chǎn)如何改變孔隙壓力和就地應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，需要系統(tǒng)性研究：加密井區(qū)選擇、加密鉆井時機(jī)選擇、加密井完井與改造優(yōu)化、壓裂沖擊（Frac Hit）[23]監(jiān)測及評估、加密井及鄰井在產(chǎn)井的井筒完整性、加密后加密井及鄰井生產(chǎn)干擾及生產(chǎn)制度優(yōu)化等。

（4）非常規(guī)油氣藏的大規(guī)模數(shù)值模擬工作還任重道遠(yuǎn)，需要進(jìn)一步從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵參數(shù)礦場測量、建模優(yōu)化等領(lǐng)域開展深入研究，從而將頁巖氣全氣田數(shù)值模擬技術(shù)從理論和應(yīng)用，提升到更適用更可靠和更高的層次，使其在智慧化頁巖氣田中充分發(fā)揮價值。

（5）北美R.Jain等較早地提出在完井設(shè)計中，要充分考慮井筒復(fù)雜流態(tài)的影響，建議通過將井筒動態(tài)和氣藏動態(tài)耦合的方式，優(yōu)化非常規(guī)水平井完井設(shè)計[53]。Alfonso Fragoso等近期又進(jìn)一步實現(xiàn)了單井?dāng)?shù)模模型、井筒動態(tài)模型和地面設(shè)備的簡單耦合，開展非常規(guī)儲層的提高采收率研究[54]。在今后的頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模和數(shù)值模擬研究中，需要進(jìn)一步考慮井筒水動力學(xué)與氣藏動態(tài)的相互作用以及對生產(chǎn)的影響，通過井筒模型和氣藏模型的耦合，指導(dǎo)單井初期返排和優(yōu)化生產(chǎn)制度管理、優(yōu)選（中后期）人工舉升方法、優(yōu)化多井甚至多平臺生產(chǎn)協(xié)同和調(diào)度。

在進(jìn)一步發(fā)展和完善各個專業(yè)領(lǐng)域的建模及數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，將一體化共享模型與數(shù)字化、智能化頁巖氣田相連，是地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模的終極追求[55]?；跀?shù)字化、智能化的頁巖氣田可以實現(xiàn)：氣藏—井筒—地面系統(tǒng)一體化建模及優(yōu)化；氣藏管理—氣井動態(tài)—舉升優(yōu)化—流動保障—測量與監(jiān)測等各個領(lǐng)域相互耦合；各種模型與作業(yè)管理、作業(yè)支持、資產(chǎn)管理、風(fēng)險預(yù)警、決策支持的業(yè)務(wù)流程和作業(yè)進(jìn)程相聯(lián)系；頁巖氣田全生命周期管理及優(yōu)化。充分運(yùn)用基于大數(shù)據(jù)、多學(xué)科的一體化模型驅(qū)動數(shù)字化、智能化頁巖氣田的建設(shè)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息、信息轉(zhuǎn)化為知識、知識轉(zhuǎn)化為決策和財富，真正發(fā)揮數(shù)字化、智能化的巨大推動作用，實現(xiàn)更充分的增效降本。

5 結(jié)束語

地質(zhì)工程一體化是高效開發(fā)復(fù)雜油氣藏的必由之路，貫穿項目全過程的地質(zhì)工程一體化綜合研究起到重要的技術(shù)支撐作用。在以三維共享綜合模型為基礎(chǔ)的地質(zhì)工程一體化綜合研究中，以單井或平臺為目標(biāo)的鉆井、完井與壓裂、返排測試及生產(chǎn)制度的工程設(shè)計及優(yōu)化，仍然是一種局部優(yōu)化。隨著開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，加密鉆井和立體布井等技術(shù)需求的出現(xiàn)，地質(zhì)工程一體化需要考慮全局優(yōu)化。因此，以整個氣田、區(qū)塊或項目資產(chǎn)為目標(biāo)優(yōu)化的開發(fā)工程，應(yīng)該納入地質(zhì)工程一體化的核心內(nèi)涵。

一體化建模及數(shù)模是地質(zhì)工程一體化研究的核心內(nèi)容之一。與各自的頁巖氣地質(zhì)工程特點和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)相適應(yīng)，北美和我國在非常規(guī)油氣藏一體化建模及數(shù)模領(lǐng)域的進(jìn)展各具特色、各有千秋。北美在非均質(zhì)非常規(guī)油氣藏多尺度（地震、測井、巖心）一體化表征、(多期次、多套)復(fù)雜天然裂縫系統(tǒng)儲層水力縫網(wǎng)建模及模擬、基于云計算和大數(shù)據(jù)分析的壓裂優(yōu)化參數(shù)研究等方面，值得我們參考和借鑒。

復(fù)雜天然裂縫系統(tǒng)定量表征、多場和多尺度耦合井筒完整性、平面或立體加密鉆井或立體布井、復(fù)雜滲流機(jī)理條件下的高效全氣田數(shù)值模擬、井筒流體動力學(xué)和氣藏動態(tài)耦合等5項挑戰(zhàn)，是頁巖氣地質(zhì)工程一體化建模及數(shù)模進(jìn)一步發(fā)展和提高的重要研究領(lǐng)域。對它們的研究不斷深入和發(fā)展，將進(jìn)一步滿足鉆井、完井與壓裂、生產(chǎn)和開發(fā)四大工程應(yīng)用局部和全局優(yōu)化的現(xiàn)實需求。