煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺的建設(shè)構(gòu)想

李貴紅，趙佩佩，吳信波

(中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077)

眾所周知，資源勘探開發(fā)地質(zhì)資料具有多解性，需依賴工程數(shù)據(jù)來修正和優(yōu)化地質(zhì)模型，以便形成科學(xué)的工程決策[1]。地質(zhì)工程一體化以提高勘探開發(fā)效益為目標，對地質(zhì)與儲層條件進行綜合研究，通過優(yōu)化工程設(shè)計、應(yīng)用先進技術(shù)工藝管理項目，最大限度提高單井產(chǎn)量、降低成本，實現(xiàn)效益最大化[2-5]。地質(zhì)工程一體化逐漸成為油氣及非常規(guī)資源的行業(yè)共識。

自2012 年起，北美Marcellus、Eagle Ford 等頁巖氣田廣泛應(yīng)用了地質(zhì)工程一體化開發(fā)方法，開展了方案設(shè)計、工程參數(shù)優(yōu)化等工作[6]，采用井工廠模式有效提升了開發(fā)效益[7]。目前較成熟的油氣地質(zhì)工程一體化分析平臺有BHGE 公司的Jewel Suite、斯倫貝謝的Petrel、哈里伯頓的Landmark 等。國內(nèi)油氣行業(yè)地質(zhì)工程一體化已初見成效，在西南、浙江、塔里木、新疆、長慶、大港、吉林等地各油田的應(yīng)用模式不盡相同，但架構(gòu)上均為組建一體化管理團隊，利用一體化研究平臺進行一體化方案設(shè)計，最終形成地質(zhì)工程一體化開發(fā)方式。其中，塔里木油田庫車地區(qū)單井產(chǎn)能提升3～5 倍以上[8]；長寧頁巖氣示范區(qū)目標巖層鉆遇率提高1.8 倍，鉆井周期縮短53.3%，日產(chǎn)氣量提高127%[9]，地質(zhì)工程一體化成效顯著。

國內(nèi)煤層氣井產(chǎn)量普遍較低，煤層氣行業(yè)地質(zhì)研究與工程脫節(jié)較嚴重，迫切需要引入地質(zhì)工程一體化思路[10-12]。山西保德煤層氣勘探開發(fā)堅持地質(zhì)工程一體化，不斷優(yōu)化物探、鉆井、壓裂、排采技術(shù)方案，實現(xiàn)了煤層氣高效開發(fā)[13]。毋庸置疑，地質(zhì)工程一體化的多專業(yè)協(xié)同工作模式對數(shù)據(jù)共享與整合分析提出了更高要求，需要建設(shè)一體化平臺，各專業(yè)技術(shù)人員依托平臺的集成軟件與功能模塊，實現(xiàn)協(xié)同工作[14-15]。目前市場缺乏針對煤層氣地質(zhì)及工程的專業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺和專業(yè)軟件及工具的集成應(yīng)用，沒有建立優(yōu)化的標準技術(shù)工作流程和專業(yè)知識庫，尚未實現(xiàn)煤層氣項目全流程線上閉環(huán)管控。

據(jù)此，筆者提出了建設(shè)煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺的構(gòu)想，服務(wù)于煤層氣項目全生命周期管理，為實現(xiàn)煤層氣勘探開發(fā)方案設(shè)計最優(yōu)化、工程技術(shù)流程模板化、作業(yè)規(guī)程標準化的工廠化作業(yè)模式提供基礎(chǔ)平臺。

1 業(yè)務(wù)架構(gòu)與功能架構(gòu)

1.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

煤層氣勘探開發(fā)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1 所示，依托地質(zhì)工程一體化平臺，收集地質(zhì)資料，設(shè)計勘探方案，在分析整理勘探成果基礎(chǔ)上開展地質(zhì)條件分析、儲層描述與評價、資源儲量評估和有利區(qū)塊優(yōu)選工作，建立三維地質(zhì)模型。以煤儲層三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，開展地質(zhì)條件與煤儲層綜合評價，對鉆井、固井、壓裂、排采等工程作業(yè)方案進行設(shè)計及動態(tài)優(yōu)化，并進行經(jīng)濟評價，制定多個方案，優(yōu)選最佳方案，設(shè)計開發(fā)工程量，并集成氣井產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測和智能排采遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)煤層氣地質(zhì)工程一體化。

圖1 煤層氣地質(zhì)工程一體化業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.1 Integrated CBM geological engineering business framework

煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺由系統(tǒng)管理員統(tǒng)一管理(圖2)，實現(xiàn)地質(zhì)、物探、鉆完井設(shè)計、壓裂設(shè)計、產(chǎn)能優(yōu)化、智能排采遠程控制、產(chǎn)能監(jiān)測工程師協(xié)同工作，整合各專業(yè)人員，形成一體化團隊，實行一體化管理，利用一體化平臺開展一體化設(shè)計，進行一體化施工，減少重復(fù)工作量，提高工作效率。

圖2 各專業(yè)技術(shù)人員協(xié)同工作場景Fig.2 Collaborative working scenarios of professional technicians

1.2 功能架構(gòu)

煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺功能架構(gòu)分為業(yè)務(wù)服務(wù)門戶、業(yè)務(wù)支撐平臺、系統(tǒng)運維支撐平臺及開放集成平臺4 個板塊(圖3)。業(yè)務(wù)服務(wù)門戶的功能包括項目管控、知識門戶和數(shù)據(jù)服務(wù)3 部分；業(yè)務(wù)支撐平臺包括地質(zhì)工程一體化協(xié)同管控平臺和智能輔助平臺2部分，前者涵蓋了地質(zhì)建模分析、勘探開發(fā)方案設(shè)計和項目全生命周期管理功能；系統(tǒng)運維支撐平臺主要集成了平臺管理的功能；開放集成平臺主要是對工程設(shè)計軟件、產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測系統(tǒng)、智能排采遠程控制系統(tǒng)的集成。

圖3 煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺功能架構(gòu)Fig.3 Functional framework of integrated CBM geological engineering platform

通過制定地質(zhì)工程一體化技術(shù)管理流程，建立專業(yè)知識庫，研發(fā)煤層氣地質(zhì)工程數(shù)據(jù)共享平臺，打通上下游相關(guān)專業(yè)之間的軟件接口，集成地質(zhì)?工程專業(yè)設(shè)計軟件及其他數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，形成服務(wù)于煤層氣開發(fā)的地質(zhì)評價?工程設(shè)計及優(yōu)化的閉環(huán)數(shù)據(jù)共享流轉(zhuǎn)平臺。

2 數(shù)據(jù)管理模塊

以數(shù)字化轉(zhuǎn)型為引領(lǐng)，設(shè)計煤層氣地質(zhì)?工程專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)資源服務(wù)體系，覆蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、分類管理、目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)開放、應(yīng)用孵化等內(nèi)容，從而打造完善的專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)平臺，為數(shù)據(jù)仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預(yù)警、知識服務(wù)打下基礎(chǔ)。在煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺上，開發(fā)地質(zhì)工程一體化共享數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)主要分為3 類，第一類是地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，包括鉆探、測井、錄井、地震勘探、電法勘探、煤儲層參數(shù)等；第二類是鉆完井、壓裂、排采等工程設(shè)計參數(shù)及作業(yè)數(shù)據(jù)；第三類是生產(chǎn)、監(jiān)測、監(jiān)控數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)格式包括Excel、文檔、圖形、視頻、音頻、HTML 等文件。地質(zhì)工程一體化共享數(shù)據(jù)庫可以滿足地質(zhì)、物探、鉆探、壓裂、排采各專業(yè)對數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)交互的需求，實現(xiàn)合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、版本管理、權(quán)限管理、郵件系統(tǒng)及其他數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成、底層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等系統(tǒng)應(yīng)用基本功能。

3 專業(yè)軟件及工具集成

在煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺中，通過數(shù)據(jù)庫管理存儲來集成煤層氣地質(zhì)、工程專業(yè)設(shè)計軟件，打通地質(zhì)建模、鉆完井、壓裂、產(chǎn)能優(yōu)化工程設(shè)計、氣井產(chǎn)氣監(jiān)測、智能排采控制上下游相關(guān)專業(yè)軟件及平臺的接口，實現(xiàn)上下游軟件層面輸入輸出業(yè)務(wù)流的打通和相關(guān)參數(shù)及成果通過一體化平臺靈活調(diào)用和共享(圖4)，利用接口保證數(shù)據(jù)安全性及完整性，減少人工重復(fù)錄入錯誤及數(shù)據(jù)泄露。其中，地質(zhì)建模及分析采用Petrel 勘探開發(fā)一體化平臺或GoCAD 三維地質(zhì)建模平臺，鉆完井設(shè)計采用Compass 軟件，壓裂設(shè)計采用MFrac 軟件，產(chǎn)能設(shè)計采用CBM-SIM、CMG 或Eclipse 等儲層數(shù)值模擬軟件，另外集成煤層氣井產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測系統(tǒng)和智能排采控制系統(tǒng)。

圖4 煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺工作軟件及監(jiān)測控制平臺集成Fig.4 Work flow of integration of software and monitoring control platform of CBM geological engineering integration platform

例如，通過專業(yè)軟件及工具集成，將地質(zhì)參數(shù)輸入Petrel 完成三維地質(zhì)建模后，可以將地質(zhì)模型及相關(guān)基本參數(shù)上傳至一體化平臺，供后期鉆完井工程設(shè)計、壓裂工程設(shè)計和產(chǎn)能模擬優(yōu)化設(shè)計時調(diào)用，同時，根據(jù)需要也可從平臺中調(diào)用后期的工程數(shù)據(jù)來修正地質(zhì)模型；再如，煤層氣產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測和智能排采控制系統(tǒng)中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可反饋給產(chǎn)能模擬優(yōu)化軟件，供生產(chǎn)歷史擬合使用，形成閉環(huán)，以獲得高質(zhì)量的優(yōu)化結(jié)果。

4 地質(zhì)工程一體化技術(shù)工作流程

煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺的技術(shù)工作流程包括地質(zhì)建模流程、鉆完井設(shè)計流程、壓裂設(shè)計流程、氣井產(chǎn)能設(shè)計流程、氣井多產(chǎn)層產(chǎn)量監(jiān)測流程、智能排采遠程控制流程等。通過流程梳理優(yōu)化，建立相應(yīng)的專家知識庫，規(guī)劃、簡化、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)全流程線上閉環(huán)管控，提高工作效率。

4.1 地質(zhì)建模分析

利用地質(zhì)建模軟件Petrel 開展煤層氣地質(zhì)研究(圖5)，建立三維地質(zhì)模型，為后續(xù)工程方案設(shè)計優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

圖5 地質(zhì)研究工作流程Fig.5 Flow chart of geological research work

該階段流程主要包括地質(zhì)條件分析、儲層描述與評價、資源儲量評估和有利區(qū)塊優(yōu)選，在對地層、構(gòu)造、氣體保存等地質(zhì)條件研究基礎(chǔ)上，開展煤儲層展布、煤巖煤質(zhì)評價、含氣性及飽和度、滲透性、儲層壓力、地應(yīng)力、儲層溫度的精細描述與評價，然后進行研究區(qū)塊段劃分、資源/儲量類別確定和資源量估算，在上述工作完成后開展有利區(qū)塊優(yōu)選，確定出首批勘探開發(fā)目標靶區(qū)、有利區(qū)和遠景區(qū)，合理安排工作順序。

由于Petrel 并非煤層氣專用軟件，在煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺上，建議開發(fā)煤儲層含氣量預(yù)測模型、含氣飽和度計算模型、儲層壓力評價模型、滲透率預(yù)測模型及儲層溫度評價等分析模型，便于煤儲層精細描述。另外，開發(fā)煤炭、煤層氣資源/儲量估算功能模塊，實現(xiàn)資源儲量動態(tài)管理。

4.2 工程設(shè)計優(yōu)化

氣田的開發(fā)方案設(shè)計需要開展工程優(yōu)化[16]。煤層氣工程設(shè)計輸入?yún)?shù)、分析內(nèi)容及輸出結(jié)果見表1。

表1 工程設(shè)計輸入?yún)?shù)及輸出結(jié)果Table 1 Input parameters and output results of engineering design

4.2.1鉆井設(shè)計優(yōu)化

鉆井設(shè)計工作流程如圖6 所示，利用compass 軟件開展鉆完井設(shè)計，設(shè)計井眼軌跡的形狀，計算正鉆井眼軌跡位置，計算相鄰井眼軌跡之間的距離，輸出井眼軌跡參數(shù)，開發(fā)井眼軌跡自動導(dǎo)向控制工具模塊。首先，根據(jù)工作目標，確定煤層氣井類型，在地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計鉆完井方式，并開展經(jīng)濟成本可行性評價，最終形成鉆完井設(shè)計報告。結(jié)合三維地質(zhì)模型，地質(zhì)與工程人員及時討論軌跡控制方案，降低施工風(fēng)險，提高鉆遇率，做到提前預(yù)判，適時微調(diào)，實現(xiàn)精準地質(zhì)導(dǎo)向[17]。

圖6 鉆完井設(shè)計流程[18]Fig.6 Drilling and completion design process[18]

4.2.2壓裂設(shè)計優(yōu)化

壓裂設(shè)計工作流程如圖7 所示。在氣藏地質(zhì)、工程條件評價基礎(chǔ)上，優(yōu)選壓裂工藝和壓裂參數(shù)，結(jié)合氣井數(shù)值模擬開展水力壓裂模擬工作，優(yōu)化壓裂參數(shù)，開展經(jīng)濟評價，優(yōu)化選取壓裂方案，在現(xiàn)場施工完成后，進行壓后評價，并將結(jié)果反饋，不斷更新三維地質(zhì)模型，形成動態(tài)閉環(huán)，為煤層氣藏地質(zhì)和工程評價提供客觀依據(jù)。

圖7 壓裂設(shè)計工作流程(據(jù)文獻[19]，修改)Fig.7 Fracturing design workflow (modified according to reference[19])

4.2.3排采設(shè)計優(yōu)化

排采制度優(yōu)化流程如圖8 所示，具體方法如下：

圖8 排采優(yōu)化工作流程Fig.8 Drainage and production optimization workflow

(1) 根據(jù)煤層展布、構(gòu)造發(fā)育程度、煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣田開展儲層分區(qū)；

(2) 針對同一儲層分區(qū)內(nèi)所有生產(chǎn)氣井及試驗井，盡可能篩選涵蓋氣井生產(chǎn)周期的中、高產(chǎn)氣井，分排水降壓、產(chǎn)氣上升、產(chǎn)氣穩(wěn)定和產(chǎn)氣衰減4 個階段，總結(jié)不同階段井底壓力降低速度，以中高產(chǎn)氣井排采制度作為該儲層分區(qū)的氣井排采基本工作制度；

(3) 利用CBM-SIM 等煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測軟件，對選中的中高產(chǎn)氣井進行生產(chǎn)歷史擬合，修正煤儲層參數(shù)；

(4) 采用階梯降壓排采模式，以中高產(chǎn)氣井實際分階段井底壓力降低速度為參照上下浮動，制定3 個以上排采方案，結(jié)合歷史擬合結(jié)果，利用CBM-SIM 等軟件進行產(chǎn)能預(yù)測，對比不同排采制度下的模擬結(jié)果，包括日產(chǎn)氣量、累計產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量等，分階段優(yōu)選井底壓力降低速度；

(5) 以上述優(yōu)選的分階段井底壓力降低速度作為本區(qū)制定氣井排采方案的基本工作制度，利用CBMSIM 軟件對每口井進行產(chǎn)能歷史擬合和模擬預(yù)測，制定3 個以上排采方案，優(yōu)選產(chǎn)氣時間短、穩(wěn)產(chǎn)期長、累計產(chǎn)氣量最大的分階段井底壓力降低方案作為最優(yōu)排采方案，作為該氣井排采制度，做到一井一制度，實現(xiàn)氣井排采的精細化管理。

5 與其他平臺的接口管理模塊

實現(xiàn)跨專業(yè)的接口協(xié)作及與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、試驗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)共享。具體包括氣井產(chǎn)量數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能排采遠程控制接口等。

5.1 產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測平臺

研發(fā)煤層氣井多產(chǎn)層產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖9)，開發(fā)產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測控制軟件及與數(shù)據(jù)共享平臺接口。采集氣井流體壓力、溫度、聲波等關(guān)鍵參數(shù)，開發(fā)產(chǎn)氣貢獻分析預(yù)測模型，預(yù)測煤層氣井不同產(chǎn)層段的產(chǎn)氣量，用于氣井診斷。

圖9 產(chǎn)氣貢獻數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)Fig.9 Data acquisition and control system for gas contribution

5.2 智能排采控制平臺

開發(fā)煤層氣智能排采控制系統(tǒng)及與數(shù)據(jù)共享平臺接口，搭建通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)煤層氣井智能排采遠程控制。

6 結(jié)論

a.提出了煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺的建設(shè)構(gòu)想，將地質(zhì)建模分析、鉆完井、壓裂、排采等工程設(shè)計優(yōu)化集于一體，建立地質(zhì)工程一體化的數(shù)據(jù)資源庫與數(shù)據(jù)服務(wù)能力，打造專業(yè)安全的系統(tǒng)集成支撐體系，集成Petrel 地質(zhì)建模、Compass 鉆完井設(shè)計、MFrac 壓裂設(shè)計、CBM-SIM 儲層數(shù)值模擬等各類專業(yè)軟件工具，集成產(chǎn)氣貢獻監(jiān)測平臺和智能排采遠程控制平臺，固化標準的技術(shù)工作流程，建立相應(yīng)的專業(yè)知識庫，可持續(xù)推出智能預(yù)警、知識快查、方案推薦等知識應(yīng)用，從而輔助業(yè)務(wù)的順利開展，最終實現(xiàn)“業(yè)務(wù)積累數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化知識?知識輔助業(yè)務(wù)”的良好閉環(huán)。

b.煤層氣地質(zhì)工程一體化平臺可以打通煤層氣勘探開發(fā)上下游的專業(yè)壁壘、共享全流程數(shù)據(jù)與成果，實現(xiàn)項目全生命周期管理，減少重復(fù)工作量，提高煤層氣勘探開發(fā)工程效率和氣井產(chǎn)量，實現(xiàn)降本增效。