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        煤層氣地質工程一體化平臺的建設構想

        2022-10-08 07:44:38李貴紅趙佩佩吳信波
        煤田地質與勘探 2022年9期
        關鍵詞:產氣氣井煤層氣

        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)地質資料具有多解性,需依賴工程數據來修正和優(yōu)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(fā)效益為目標,對地質與儲層條件進行綜合研究,通過優(yōu)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(guī)資源的行業(yè)共識。

        自2012 年起,北美Marcellus、Eagle Ford 等頁巖氣田廣泛應用了地質工程一體化開發(fā)方法,開展了方案設計、工程參數優(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(yè)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(fā)方式。其中,塔里木油田庫車地區(qū)單井產能提升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(yè)地質研究與工程脫節(jié)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(fā)堅持地質工程一體化,不斷優(yōu)化物探、鉆井、壓裂、排采技術方案,實現了煤層氣高效開發(fā)[13]。毋庸置疑,地質工程一體化的多專業(yè)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(yè)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(yè)數據共享平臺和專業(yè)軟件及工具的集成應用,沒有建立優(yōu)化的標準技術工作流程和專業(yè)知識庫,尚未實現煤層氣項目全流程線上閉環(huán)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(fā)方案設計最優(yōu)化、工程技術流程模板化、作業(yè)規(guī)程標準化的工廠化作業(yè)模式提供基礎平臺。

        1 業(yè)務架構與功能架構

        1.1 業(yè)務架構

        煤層氣勘探開發(fā)業(yè)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(qū)塊優(yōu)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(yè)方案進行設計及動態(tài)優(yōu)化,并進行經濟評價,制定多個方案,優(yōu)選最佳方案,設計開發(fā)工程量,并集成氣井產氣貢獻監(jiān)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(yè)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(yōu)化、智能排采遠程控制、產能監(jiān)測工程師協同工作,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(yè)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(yè)務服務門戶、業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)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(jiān)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(yè)知識庫,研發(fā)煤層氣地質工程數據共享平臺,打通上下游相關專業(yè)之間的軟件接口,集成地質?工程專業(yè)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(fā)的地質評價?工程設計及優(yōu)化的閉環(huán)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(yè)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(yè)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(fā)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(yè)數據;第三類是生產、監(jiān)測、監(jiān)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(yè)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(yè)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(yè)設計軟件,打通地質建模、鉆完井、壓裂、產能優(yōu)化工程設計、氣井產氣監(jiān)測、智能排采控制上下游相關專業(yè)軟件及平臺的接口,實現上下游軟件層面輸入輸出業(yè)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(fā)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(jiān)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(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(yōu)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(jiān)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(yōu)化軟件,供生產歷史擬合使用,形成閉環(huán),以獲得高質量的優(yōu)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(jiān)測流程、智能排采遠程控制流程等。通過流程梳理優(yōu)化,建立相應的專家知識庫,規(guī)劃、簡化、優(yōu)化業(yè)務流程,實現全流程線上閉環(huán)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(xù)工程方案設計優(yōu)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(qū)塊優(yōu)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(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,在煤層氣地質工程一體化平臺上,建議開發(fā)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(fā)煤炭、煤層氣資源/儲量估算功能模塊,實現資源儲量動態(tài)管理。

        4.2 工程設計優(yōu)化

        氣田的開發(fā)方案設計需要開展工程優(yōu)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(yōu)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(fā)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(yōu)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(yōu)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(yōu)化壓裂參數,開展經濟評價,優(yōu)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(tài)閉環(huán),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(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) 根據煤層展布、構造發(fā)育程度、煤體結構對煤層氣田開展儲層分區(qū);

        (2) 針對同一儲層分區(qū)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(wěn)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(qū)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(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能歷史擬合和模擬預測,制定3 個以上排采方案,優(yōu)選產氣時間短、穩(wěn)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(yōu)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(yè)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(jiān)測、智能排采遠程控制接口等。

        5.1 產氣貢獻監(jiān)測平臺

        研發(fā)煤層氣井多產層產氣貢獻監(jiān)測儀器和數據采集系統(圖9),開發(fā)產氣貢獻監(jiān)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(fā)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(fā)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(yōu)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(yè)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(yè)軟件工具,集成產氣貢獻監(jiān)測平臺和智能排采遠程控制平臺,固化標準的技術工作流程,建立相應的專業(yè)知識庫,可持續(xù)推出智能預警、知識快查、方案推薦等知識應用,從而輔助業(yè)務的順利開展,最終實現“業(yè)務積累數據?數據轉化知識?知識輔助業(yè)務”的良好閉環(huán)。

        b.煤層氣地質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(fā)工程效率和氣井產量,實現降本增效。

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