地質工程一體化研究與應用現狀

趙福豪 黃維安,2 雍銳 范宇 黃浩勇 江琳 李國真

1.中國石油大學(華東)石油工程學院；2.油田化學山東省重點實驗室；3.中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院

0 引言

我國的非常規(guī)油氣資源相當豐富［1］，但復雜多變的地面和儲層條件給中國的油氣勘探帶來更多挑戰(zhàn)。與美國頁巖相比，我國頁巖氣開發(fā)面臨地面多山地、地下埋藏深度大、非均質性強、技術要求高、開發(fā)成本高等諸多挑戰(zhàn)［2-3］。近些年，專家學者們借鑒北美頁巖氣革命的成功經驗，積極地探索新的思路方法，來解決非常規(guī)油氣藏高效益開發(fā)的關鍵技術難題，地質工程一體化作業(yè)模式應運而出。2011年，Cipolla等［4］針對非常規(guī)儲層開發(fā)的挑戰(zhàn)首次提出“從地震至模擬”一體化工作流程，無縫整合了從地震數據解釋至產能模擬的全過程研究方法。2012—2016年，在對Marcellus、EagleFord等頁巖開發(fā)時，廣泛應用地質工程一體化方法開展方案設計、參數優(yōu)化等工作［5-13］。國內吳奇等［14］(2015)系統地提出了針對中國南方海相頁巖氣地質工程一體化開發(fā)的理念及技術路線，在黃金壩YS108區(qū)塊率先應用“品質三角形”。胡文瑞［15］(2017)對地質工程一體化的概念內涵、實現條件等進行了詳細闡述。隨后，西南油氣田、浙江油氣田針對頁巖氣［16-18］，塔里木油氣田、新疆油氣田、長慶油田針對致密油氣［19-23］，大港油田針對稠油油藏［24］，吉林油田針對低滲透油藏［25-26］廣泛開展地質工程一體化應用實踐，取得初步成效。另外，BHGE、斯倫貝謝、哈里伯頓等公司都積極與油田合作，提供地質工程一體化服務及軟件平臺，為非常規(guī)儲層開發(fā)提供技術保障。實踐中逐步摸索出獨具特點的地質工程一體化技術［27-31］。比如，將測井識別評價技術、“甜點”區(qū)域預測及評價、儲層預測技術、基于地質目標跟蹤的軌跡調整技術等關鍵技術有機地融合，形成頁巖氣地質工程一體化導向鉆井技術；借鑒北美井工廠模式，結合國內海相頁巖特點，逐步形成山地工廠化的鉆井壓裂施工模式。但隨著地質工程一體化的應用與發(fā)展，出現了一些“異化”現象［32］。為此筆者通過梳理地質工程一體化的發(fā)展歷程，對其實現思路進行了總結，剖析了國內外典型應用實例，最終對未來的發(fā)展趨勢提出了建議。

1 地質工程一體化研究現狀

地質工程一體化是指以提高勘探開發(fā)效益為中心，以地質-儲層綜合研究為基礎，通過優(yōu)化鉆完井設計、應用先進技術工藝全方位進行項目管理和組織施工，最大限度提高單井產量、降低成本，從而實現勘探開發(fā)效益的最大化。地質工程一體化在各油田的應用模式不盡相同，但在架構上都是組建一體化管理的團隊，利用一體化研究平臺進行一體化方案設計，形成地質工程一體化的開發(fā)方式。

1.1 地質工程一體化組織機構

1.1.1 地質工程一體化團隊及管理

地質工程一體化不再是狹義的地質學科與工程施工，而是涉及地球物理、測井、錄井、地質、油藏、鉆完井、壓裂、壓后評估等多學科綜合研究工作及施工過程中一系列工程技術應用優(yōu)化，要求不同學科的人員能夠高效地開展合作。首先應成立項目部，制定出一體化工作流程，明確責任分工，形成一體化的管理機構(圖1)；通過整合專業(yè)技術力量組建地質工程一體化團隊(圖2)，統一管理、統一決策；實現項目從啟動到實施再到評價的全流程精細管理。劉合等［33］認為北美頁巖氣革命帶來管理水平的進步值得借鑒和思考，頁巖氣一體化開發(fā)工程管理的提升空間仍然很大，油氣公司應抓住機遇積極優(yōu)化工程管理模式，如建立“日費式”的管理模式、甲乙方協同一致的管理機制等。

圖1 長寧頁巖氣示范區(qū)組織管理機構示意圖(改自謝軍等［16］)Fig.1 Schematic management organization of Changning Shale Gas Demonstration Area(modified from XIE Jun, et al.［16］)

圖2 塔里木油田油氣工程研究院地質工程一體化團隊(改自張揚等［21］)Fig.2 Geology-engineering integration team of Petroleum Engineering Research Institute, Tarim Oilfield(modified from ZHANG Yang, et al.［21］)

1.1.2 地質工程一體化平臺

地質工程一體化的多學科、復雜性等特征對技術團隊內的數據整合提出了更高的要求。所以，需要應用一個一體化的軟件工具(平臺)，團隊可以使用依托于該平臺的各種軟件，實現多學科協同研究和協同工作。目前較成熟的軟件平臺有BHGE公司的JewelSuite(圖3)、斯倫貝謝的Petrel、哈里伯頓的Landmark，此外還有能新科的GEPM地質工程一體化服務、奧伯特的PEOffice油氣生產一體化分析軟件等。

BHGE公司將地質建模(JOA)、地質力學建模(GMI)及壓裂軟件(Meyer)三大軟件整合成地質工程一體化研究平臺，實現了從地質、油藏研究到鉆井、壓裂、建模分析等一體化分析研究，得到的地質力學、地質建模等結果用于鉆井、壓裂方案的優(yōu)化中，通過現場應用，繼續(xù)完善地質模型，從而提高對儲層的認識。

圖3 JewelSuite地質工程一體化模擬分析系統(圖片來源于北京陽光杰科)Fig.3 JewelSuite simulation analysis system of geologyengineering integration (from the Beijing Sunshine GEO-Tech Co.Ltd.)

1.2 地質工程一體化實施過程

1.2.1 地質工程一體化設計

轉變過去的方案設計模式，建立協同運行的新模式(圖4)。通過對地下條件、地面條件等綜合因素分析，進行結合地震、巖心、測井的綜合地質評價，確定“甜點區(qū)”。進行井位部署和水平井軌跡設計，建立精細的三維地質模型。針對不同的鉆完井工況，優(yōu)選壓裂施工參數，優(yōu)化壓裂方案。進行壓后評估，不斷更新三維地質模型，形成動態(tài)閉環(huán)。

圖4 方案設計模式轉變Fig.4 Transformation of scheme design mode

1.2.2 地質工程一體化施工

在北美，為保證非常規(guī)資源開發(fā)的利潤，通常采用“井工廠”或“產業(yè)化”的開發(fā)方式。Rexilius［34］在文章中介紹了二疊盆地Wolfcamp地層非常規(guī)油氣井井工廠開發(fā)模式的具體應用，通過對Rex油田兩個采用不同開發(fā)方式的井區(qū)進行對比，表明該模式能有效增加開發(fā)效益。吳奇等［14］針對南方海相頁巖氣的特點提出的“品質三角形”(儲層品質、鉆井品質和完井品質)概念，將頁巖氣開發(fā)地質工程一體化工廠化實施分為兩步進行。第一步：先打導眼井、水平評價井，進行品質評價并更新形成品質模型，結合實踐經驗形成并優(yōu)化后續(xù)井開發(fā)方案；第二步：根據形成的開發(fā)方案，進行其他井的工廠化作業(yè)，并對開發(fā)井進行壓后評估，借助不斷更新的三維地質模型優(yōu)化方案和指導施工。

2 國內外地質工程一體化應用現狀

地質工程一體化概念提出已近十年，國外的加拿大Montney、美國Eagle Ford和二疊盆地Wlofcamp、墨西哥油田、濱里海盆地Zanazour等區(qū)塊，國內的長寧、威遠、昭通、庫車地區(qū)、三塘湖等區(qū)塊，都成功開展實踐，產油(氣)量、鉆遇率都有數倍的提升，施工周期也大大縮減。如Zanazour［35］第1口一體化試驗井H8獲初期日產油113 t，450 d累計產油2.1×104t，平均日產油46.7 t；庫車地區(qū)通過實施地質工程一體化，克拉蘇構造整體鉆井提速明顯，單井增產達3～5倍［21］。

2.1 墨西哥非常規(guī)油藏開發(fā)案例

墨西哥的頁巖氣資源在全球排名第四，僅次于中國、美國和阿根廷。此外，已經具備商業(yè)化開發(fā)這些資源的條件，促使墨西哥石油公司對頁巖氣進行勘探開發(fā)。墨西哥石油公司(PEMEX)勘探的油田位于墨西哥東北部，首要目標地層是上白堊統Eagle Ford地層，其次是侏羅紀的Pimienta地層。其勘探開發(fā)面臨的主要挑戰(zhàn)是：要利用從幾口探井收集的信息，評價儲量可動用性，并為這些油田的未來開發(fā)奠定基礎。此外由于干旱原因需要考慮供水等問題。為此，建立了一個包含多學科的團隊實施地質工程一體化的工作流程以應對這些挑戰(zhàn)，應用該工作流程的4口井表現出良好的潛力。

一體化工作流程，主要有鉆井階段和完井階段兩大部分。鉆井階段使用巖石物理靜態(tài)模型來識別潛力層段，地質力學模型(MEM)可用于預測最佳鉆井方位角、著陸點和降低鉆井風險，實時地質導向用于實現目標窗口內鉆進。在完井階段，以油藏為中心的完井和儲層改造軟件整合巖石物理和地質力學數據，用于優(yōu)化完井和增產設計。實施該工作流程分為以下四步：鉆前模擬，地質導向和實時監(jiān)測，完井設計、水力壓裂建模與實施，油井性能評估。

通過多學科整合來正確設計和優(yōu)化非常規(guī)儲層頁巖井是可行的，所采用的工作流程改進了非常規(guī)頁巖井的設計、評估和優(yōu)化。通過實施，對該地區(qū)Eagle Ford和Pimienta兩個地層的儲層性質有了更清晰的認識，同時發(fā)現常規(guī)裂縫模型在描述水力裂縫時存在局限性，應使用各向異性地質力學模型來正確估計非常規(guī)頁巖井中的最小水平應力分布［36］。

2.2 長寧-威遠頁巖氣示范區(qū)開發(fā)案例

長寧區(qū)塊形成了一套針對南方海相頁巖氣的提產增效開發(fā)模式，率先進行全頁巖氣田的數值模擬研究。經探索實踐逐步形成六大勘探開發(fā)主體技術，為地質工程一體化的實施提供了技術保障?，F階段，該氣田平均每口井日產氣量24.61×104m3，與評價期相比提高了127%。在施工效果方面，鉆遇率提高1.8倍，套管形變率下降68%，水平段延長53%，鉆井周期縮短53.3%，開發(fā)井各生產指標都超過了設計指標［16,37］。

威遠區(qū)塊地表多山地丘陵，儲層埋深大、非均質性強，存在較大的儲層改造難度，采用“一體化、工廠化、效益化”的理念進行開發(fā)，施工速度、工程質量均得到很大提升。其中，威202井區(qū)經3輪開發(fā)，甜點鉆遇率由20%增加到80%，產量由11.25×104m3/d提高到25.95×104m3/d，實現3 500 m以淺頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)［17］。

3 地質工程一體化攻關方向

目前行業(yè)內地質工程一體化的開展和推進存在著“異化”現象［32］，如：一體化項目“大而全”導致虎頭蛇尾、“會議室”一體化現象等，為此，分析認為我國頁巖氣地質工程一體化急需開展以下方向攻關。

(1)形成統一的地質工程一體化思想?？偨Y成功實施地質工程一體化區(qū)塊的經驗，建立嘗試和推進一體化的信心和激情，牢固樹立“地質工程一體化是實現復雜油氣藏效益勘探開發(fā)的必由之路［15］”的思想認識。

(2)建立健全地質工程一體化運行機制。改革組織機構，整合勘探、鉆井、完井、測井、錄井、采油等各專業(yè)、各部門人員，形成一體化團隊，加強一體化管理，利用一體化平臺開展一體化設計，進行一體化施工。塔里木油田［38］形成了“LTTDW”的地質工程一體化運行模式，新疆油田［20］總結出“五個一體化”，昭通頁巖氣示范區(qū)［18］提出IPDP模式。

(3)強化地質工程一體化考核。以降低開發(fā)成本、提高單井效益為目標，制定合理的開發(fā)方案及可量化的考核制度，充分調動團隊成員的積極性，增強團隊的凝聚力，真正發(fā)揮“1+1＞2”的疊加效應，為地質工程一體化實施做好保障。

(4)加快頁巖氣地質工程一體化開發(fā)技術突破。由于中美頁巖地質特征的差異性，北美頁巖氣革命很多開發(fā)技術并不完全適用國內，但隨著頁巖氣勘探開發(fā)的深入開展，科研和施工人員針對中國頁巖特點進行了先進的、創(chuàng)新性的嘗試，總結形成一些具有實用性和適用性的特色技術。李東杰等［39］總結了頁巖氣鉆井技術的進展，建議我國應抓緊完成頁巖鉆井核心技術及先進工具的國產化。雷群等［40］闡述了儲層改造技術進展，對中國儲層改造技術發(fā)展提出了建議。涪陵頁巖氣田［41］采用了適合山地特點的“井工廠”布局及作業(yè)模式，長寧頁巖氣示范區(qū)［16］逐漸形成了六大勘探開發(fā)主體技術。

(5)加強地質力學在地質工程一體化中的應用。對儲層地質力學規(guī)律的準確把握，是保障施工效率和開發(fā)效益的重要因素。國外Suarez等［42-45］較早在盆地級別開展從地球物理到地質力學一體化三維建模工作。多尺度(單井、平臺、全氣田)的地質力學模型與開發(fā)、鉆井、完井、生產四大工程系統充分結合，廣泛應用于優(yōu)化井區(qū)和井位部署、調整井眼軌跡、井壁穩(wěn)定性分析、壓裂優(yōu)化設計及壓裂實時監(jiān)測、壓后評估等工作。今后應加強對地質力學、壓裂動態(tài)、油藏動態(tài)的井間相互作用研究及其與壓裂和生產的三者耦合研究［46］。

(6)培養(yǎng)地質工程一體化復合型人才。要加快對地質工程一體化復合型人才的培養(yǎng)［47］，掌握多種技能的復合型人才具有更好的職業(yè)發(fā)展空間和適應性，是未來社會最受歡迎的人才類型之一。2009年，樊太亮等［48］就對目前石油工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的適應性進行了系統性分析，提出了石油工程專業(yè)進行勘探開發(fā)一體化的復合型人才培養(yǎng)模式，經過實施取得較好的效果。2016年，新疆油田與中國石油大學(北京)共同建設油氣資源與工程聯合研究院及重點實驗室，致力于將該平臺打造成一個培養(yǎng)地質工程一體化復合人才的搖籃。

4 總結與建議

(1)地質工程一體化作業(yè)模式的概念提出及發(fā)展始于2011年，是以地質研究為基礎來實現勘探開發(fā)效益最大化，已成為難動用、非常規(guī)油氣商業(yè)(高效)開發(fā)的最優(yōu)模式。

(2)實現地質工程一體化要依托于一體化的組織機構(團隊、管理、平臺)，在單井、平臺、區(qū)塊多尺度，分層次、動態(tài)化地進行一體化綜合研究，通過技術手段獲得儲層參數，把握甜點分布，構建三維地質模型及三維地質力學模型，并根據現場數據實時更新，為地質工程一體化提供技術基礎和保障。

(3)國內外的油田區(qū)塊進行了大量的地質工程一體化勘探開發(fā)應用，取得了可觀的效果，但在實踐中也存在一些如會議室“一體化”、項目“大而全”、“學科執(zhí)念”的“異化”現象。

(4)我國頁巖氣地質工程一體化急需攻關方向：①形成統一的地質工程一體化思想；②建立健全地質工程一體化運行機制；③強化地質工程一體化考核；④加快頁巖氣地質工程一體化開發(fā)技術突破；⑤加強地質力學在地質工程一體化中的應用；⑥培養(yǎng)地質工程一體化復合型人才。