煤層氣地質工程一體化平臺的建設構想

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，資源勘探開發地質資料具有多解性，需依賴工程數據來修正和優化地質模型，以便形成科學的工程決策[1]。地質工程一體化以提高勘探開發效益為目標，對地質與儲層條件進行綜合研究，通過優化工程設計、應用先進技術工藝管理項目，最大限度提高單井產量、降低成本，實現效益最大化[2-5]。地質工程一體化逐漸成為油氣及非常規資源的行業共識。

自2012 年起，北美Marcellus、Eagle Ford 等頁巖氣田廣泛應用了地質工程一體化開發方法，開展了方案設計、工程參數優化等工作[6]，采用井工廠模式有效提升了開發效益[7]。目前較成熟的油氣地質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。國內油氣行業地質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用模式不盡相同，但架構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計，最終形成地質工程一體化開發方式。其中，塔里木油田庫車地區單井產能提升3～5 倍以上[8]；長寧頁巖氣示范區目標巖層鉆遇率提高1.8 倍，鉆井周期縮短53.3%，日產氣量提高127%[9]，地質工程一體化成效顯著。

國內煤層氣井產量普遍較低，煤層氣行業地質研究與工程脫節較嚴重，迫切需要引入地質工程一體化思路[10-12]。山西保德煤層氣勘探開發堅持地質工程一體化，不斷優化物探、鉆井、壓裂、排采技術方案，實現了煤層氣高效開發[13]。毋庸置疑，地質工程一體化的多專業協同工作模式對數據共享與整合分析提出了更高要求，需要建設一體化平臺，各專業技術人員依托平臺的集成軟件與功能模塊，實現協同工作[14-15]。目前市場缺乏針對煤層氣地質及工程的專業數據共享平臺和專業軟件及工具的集成應用，沒有建立優化的標準技術工作流程和專業知識庫，尚未實現煤層氣項目全流程線上閉環管控。

據此，筆者提出了建設煤層氣地質工程一體化平臺的構想，服務于煤層氣項目全生命周期管理，為實現煤層氣勘探開發方案設計最優化、工程技術流程模板化、作業規程標準化的工廠化作業模式提供基礎平臺。

1 業務架構與功能架構

1.1 業務架構

煤層氣勘探開發業務架構如圖1 所示，依托地質工程一體化平臺，收集地質資料，設計勘探方案，在分析整理勘探成果基礎上開展地質條件分析、儲層描述與評價、資源儲量評估和有利區塊優選工作，建立三維地質模型。以煤儲層三維地質模型為基礎，開展地質條件與煤儲層綜合評價，對鉆井、固井、壓裂、排采等工程作業方案進行設計及動態優化，并進行經濟評價，制定多個方案，優選最佳方案，設計開發工程量，并集成氣井產氣貢獻監測和智能排采遠程控制系統，實現煤層氣地質工程一體化。

圖1 煤層氣地質工程一體化業務架構Fig.1 Integrated CBM geological engineering business framework

煤層氣地質工程一體化平臺由系統管理員統一管理(圖2)，實現地質、物探、鉆完井設計、壓裂設計、產能優化、智能排采遠程控制、產能監測工程師協同工作，整合各專業人員，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計，進行一體化施工，減少重復工作量，提高工作效率。

圖2 各專業技術人員協同工作場景Fig.2 Collaborative working scenarios of professional technicians

1.2 功能架構

煤層氣地質工程一體化平臺功能架構分為業務服務門戶、業務支撐平臺、系統運維支撐平臺及開放集成平臺4 個板塊(圖3)。業務服務門戶的功能包括項目管控、知識門戶和數據服務3 部分；業務支撐平臺包括地質工程一體化協同管控平臺和智能輔助平臺2部分，前者涵蓋了地質建模分析、勘探開發方案設計和項目全生命周期管理功能；系統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計軟件、產氣貢獻監測系統、智能排采遠程控制系統的集成。

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

通過制定地質工程一體化技術管理流程，建立專業知識庫，研發煤層氣地質工程數據共享平臺，打通上下游相關專業之間的軟件接口，集成地質?工程專業設計軟件及其他數據采集與控制系統，形成服務于煤層氣開發的地質評價?工程設計及優化的閉環數據共享流轉平臺。

2 數據管理模塊

以數字化轉型為引領，設計煤層氣地質?工程專業領域數據資源服務體系，覆蓋數據采集、數據存儲、分類管理、目錄服務、數據開放、應用孵化等內容，從而打造完善的專業領域數據平臺，為數據仿真、數據分析、數據預警、知識服務打下基礎。在煤層氣地質工程一體化平臺上，開發地質工程一體化共享數據庫，數據主要分為3 類，第一類是地質勘探數據，包括鉆探、測井、錄井、地震勘探、電法勘探、煤儲層參數等；第二類是鉆完井、壓裂、排采等工程設計參數及作業數據；第三類是生產、監測、監控數據。數據格式包括Excel、文檔、圖形、視頻、音頻、HTML 等文件。地質工程一體化共享數據庫可以滿足地質、物探、鉆探、壓裂、排采各專業對數據應用和數據交互的需求，實現合理的數據結構、版本管理、權限管理、郵件系統及其他數據管理系統集成、底層數據關聯等系統應用基本功能。

3 專業軟件及工具集成

在煤層氣地質工程一體化平臺中，通過數據庫管理存儲來集成煤層氣地質、工程專業設計軟件，打通地質建模、鉆完井、壓裂、產能優化工程設計、氣井產氣監測、智能排采控制上下游相關專業軟件及平臺的接口，實現上下游軟件層面輸入輸出業務流的打通和相關參數及成果通過一體化平臺靈活調用和共享(圖4)，利用接口保證數據安全性及完整性，減少人工重復錄入錯誤及數據泄露。其中，地質建模及分析采用Petrel 勘探開發一體化平臺或GoCAD 三維地質建模平臺，鉆完井設計采用Compass 軟件，壓裂設計采用MFrac 軟件，產能設計采用CBM-SIM、CMG 或Eclipse 等儲層數值模擬軟件，另外集成煤層氣井產氣貢獻監測系統和智能排采控制系統。

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

例如，通過專業軟件及工具集成，將地質參數輸入Petrel 完成三維地質建模后，可以將地質模型及相關基本參數上傳至一體化平臺，供后期鉆完井工程設計、壓裂工程設計和產能模擬優化設計時調用，同時，根據需要也可從平臺中調用后期的工程數據來修正地質模型；再如，煤層氣產氣貢獻監測和智能排采控制系統中的生產數據可反饋給產能模擬優化軟件，供生產歷史擬合使用，形成閉環，以獲得高質量的優化結果。

4 地質工程一體化技術工作流程

煤層氣地質工程一體化平臺的技術工作流程包括地質建模流程、鉆完井設計流程、壓裂設計流程、氣井產能設計流程、氣井多產層產量監測流程、智能排采遠程控制流程等。通過流程梳理優化，建立相應的專家知識庫，規劃、簡化、優化業務流程，實現全流程線上閉環管控，提高工作效率。

4.1 地質建模分析

利用地質建模軟件Petrel 開展煤層氣地質研究(圖5)，建立三維地質模型，為后續工程方案設計優化提供基礎。

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

該階段流程主要包括地質條件分析、儲層描述與評價、資源儲量評估和有利區塊優選，在對地層、構造、氣體保存等地質條件研究基礎上，開展煤儲層展布、煤巖煤質評價、含氣性及飽和度、滲透性、儲層壓力、地應力、儲層溫度的精細描述與評價，然后進行研究區塊段劃分、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塊優選，確定出首批勘探開發目標靶區、有利區和遠景區，合理安排工作順序。

由于Petrel 并非煤層氣專用軟件，在煤層氣地質工程一體化平臺上，建議開發煤儲層含氣量預測模型、含氣飽和度計算模型、儲層壓力評價模型、滲透率預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，開發煤炭、煤層氣資源/儲量估算功能模塊，實現資源儲量動態管理。

4.2 工程設計優化

氣田的開發方案設計需要開展工程優化[16]。煤層氣工程設計輸入參數、分析內容及輸出結果見表1。

表1 工程設計輸入參數及輸出結果Table 1 Input parameters and output results of engineering design

4.2.1鉆井設計優化

鉆井設計工作流程如圖6 所示，利用compass 軟件開展鉆完井設計，設計井眼軌跡的形狀，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，開發井眼軌跡自動導向控制工具模塊。首先，根據工作目標，確定煤層氣井類型，在地質條件分析的基礎上，設計鉆完井方式，并開展經濟成本可行性評價，最終形成鉆完井設計報告。結合三維地質模型，地質與工程人員及時討論軌跡控制方案，降低施工風險，提高鉆遇率，做到提前預判，適時微調，實現精準地質導向[17]。

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

4.2.2壓裂設計優化

壓裂設計工作流程如圖7 所示。在氣藏地質、工程條件評價基礎上，優選壓裂工藝和壓裂參數，結合氣井數值模擬開展水力壓裂模擬工作，優化壓裂參數，開展經濟評價，優化選取壓裂方案，在現場施工完成后，進行壓后評價，并將結果反饋，不斷更新三維地質模型，形成動態閉環，為煤層氣藏地質和工程評價提供客觀依據。

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

4.2.3排采設計優化

排采制度優化流程如圖8 所示，具體方法如下：

圖8 排采優化工作流程Fig.8 Drainage and production optimization workflow

(1) 根據煤層展布、構造發育程度、煤體結構對煤層氣田開展儲層分區；

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

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

(4) 采用階梯降壓排采模式，以中高產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，結合歷史擬合結果，利用CBM-SIM 等軟件進行產能預測，對比不同排采制度下的模擬結果，包括日產氣量、累計產氣量、產水量等，分階段優選井底壓力降低速度；

(5) 以上述優選的分階段井底壓力降低速度作為本區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能歷史擬合和模擬預測，制定3 個以上排采方案，優選產氣時間短、穩產期長、累計產氣量最大的分階段井底壓力降低方案作為最優排采方案，作為該氣井排采制度，做到一井一制度，實現氣井排采的精細化管理。

5 與其他平臺的接口管理模塊

實現跨專業的接口協作及與其他數據采集系統、試驗系統、控制系統、數據分析系統等的數據共享。具體包括氣井產量數據監測、智能排采遠程控制接口等。

5.1 產氣貢獻監測平臺

研發煤層氣井多產層產氣貢獻監測儀器和數據采集系統(圖9)，開發產氣貢獻監測控制軟件及與數據共享平臺接口。采集氣井流體壓力、溫度、聲波等關鍵參數，開發產氣貢獻分析預測模型，預測煤層氣井不同產層段的產氣量，用于氣井診斷。

圖9 產氣貢獻數據采集與控制系統Fig.9 Data acquisition and control system for gas contribution

5.2 智能排采控制平臺

開發煤層氣智能排采控制系統及與數據共享平臺接口，搭建通信網絡服務，實現煤層氣井智能排采遠程控制。

6 結論

a.提出了煤層氣地質工程一體化平臺的建設構想，將地質建模分析、鉆完井、壓裂、排采等工程設計優化集于一體，建立地質工程一體化的數據資源庫與數據服務能力，打造專業安全的系統集成支撐體系，集成Petrel 地質建模、Compass 鉆完井設計、MFrac 壓裂設計、CBM-SIM 儲層數值模擬等各類專業軟件工具，集成產氣貢獻監測平臺和智能排采遠程控制平臺，固化標準的技術工作流程，建立相應的專業知識庫，可持續推出智能預警、知識快查、方案推薦等知識應用，從而輔助業務的順利開展，最終實現“業務積累數據?數據轉化知識?知識輔助業務”的良好閉環。

b.煤層氣地質工程一體化平臺可以打通煤層氣勘探開發上下游的專業壁壘、共享全流程數據與成果，實現項目全生命周期管理，減少重復工作量，提高煤層氣勘探開發工程效率和氣井產量，實現降本增效。