煤层气地质工程一体化平台的建设构想

李贵红，赵佩佩，吴信波

(中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077)

众所周知，资源勘探开发地质资料具有多解性，需依赖工程数据来修正和优化地质模型，以便形成科学的工程决策[1]。地质工程一体化以提高勘探开发效益为目标，对地质与储层条件进行综合研究，通过优化工程设计、应用先进技术工艺管理项目，最大限度提高单井产量、降低成本，实现效益最大化[2-5]。地质工程一体化逐渐成为油气及非常规资源的行业共识。

自2012 年起，北美Marcellus、Eagle Ford 等页岩气田广泛应用了地质工程一体化开发方法，开展了方案设计、工程参数优化等工作[6]，采用井工厂模式有效提升了开发效益[7]。目前较成熟的油气地质工程一体化分析平台有BHGE 公司的Jewel Suite、斯伦贝谢的Petrel、哈里伯顿的Landmark 等。国内油气行业地质工程一体化已初见成效，在西南、浙江、塔里木、新疆、长庆、大港、吉林等地各油田的应用模式不尽相同，但架构上均为组建一体化管理团队，利用一体化研究平台进行一体化方案设计，最终形成地质工程一体化开发方式。其中，塔里木油田库车地区单井产能提升3～5 倍以上[8]；长宁页岩气示范区目标岩层钻遇率提高1.8 倍，钻井周期缩短53.3%，日产气量提高127%[9]，地质工程一体化成效显著。

国内煤层气井产量普遍较低，煤层气行业地质研究与工程脱节较严重，迫切需要引入地质工程一体化思路[10-12]。山西保德煤层气勘探开发坚持地质工程一体化，不断优化物探、钻井、压裂、排采技术方案，实现了煤层气高效开发[13]。毋庸置疑，地质工程一体化的多专业协同工作模式对数据共享与整合分析提出了更高要求，需要建设一体化平台，各专业技术人员依托平台的集成软件与功能模块，实现协同工作[14-15]。目前市场缺乏针对煤层气地质及工程的专业数据共享平台和专业软件及工具的集成应用，没有建立优化的标准技术工作流程和专业知识库，尚未实现煤层气项目全流程线上闭环管控。

据此，笔者提出了建设煤层气地质工程一体化平台的构想，服务于煤层气项目全生命周期管理，为实现煤层气勘探开发方案设计最优化、工程技术流程模板化、作业规程标准化的工厂化作业模式提供基础平台。

1 业务架构与功能架构

1.1 业务架构

煤层气勘探开发业务架构如图1 所示，依托地质工程一体化平台，收集地质资料，设计勘探方案，在分析整理勘探成果基础上开展地质条件分析、储层描述与评价、资源储量评估和有利区块优选工作，建立三维地质模型。以煤储层三维地质模型为基础，开展地质条件与煤储层综合评价，对钻井、固井、压裂、排采等工程作业方案进行设计及动态优化，并进行经济评价，制定多个方案，优选最佳方案，设计开发工程量，并集成气井产气贡献监测和智能排采远程控制系统，实现煤层气地质工程一体化。

图1 煤层气地质工程一体化业务架构Fig.1 Integrated CBM geological engineering business framework

煤层气地质工程一体化平台由系统管理员统一管理(图2)，实现地质、物探、钻完井设计、压裂设计、产能优化、智能排采远程控制、产能监测工程师协同工作，整合各专业人员，形成一体化团队，实行一体化管理，利用一体化平台开展一体化设计，进行一体化施工，减少重复工作量，提高工作效率。

图2 各专业技术人员协同工作场景Fig.2 Collaborative working scenarios of professional technicians

1.2 功能架构

煤层气地质工程一体化平台功能架构分为业务服务门户、业务支撑平台、系统运维支撑平台及开放集成平台4 个板块(图3)。业务服务门户的功能包括项目管控、知识门户和数据服务3 部分；业务支撑平台包括地质工程一体化协同管控平台和智能辅助平台2部分，前者涵盖了地质建模分析、勘探开发方案设计和项目全生命周期管理功能；系统运维支撑平台主要集成了平台管理的功能；开放集成平台主要是对工程设计软件、产气贡献监测系统、智能排采远程控制系统的集成。

图3 煤层气地质工程一体化平台功能架构Fig.3 Functional framework of integrated CBM geological engineering platform

通过制定地质工程一体化技术管理流程，建立专业知识库，研发煤层气地质工程数据共享平台，打通上下游相关专业之间的软件接口，集成地质−工程专业设计软件及其他数据采集与控制系统，形成服务于煤层气开发的地质评价−工程设计及优化的闭环数据共享流转平台。

2 数据管理模块

以数字化转型为引领，设计煤层气地质−工程专业领域数据资源服务体系，覆盖数据采集、数据存储、分类管理、目录服务、数据开放、应用孵化等内容，从而打造完善的专业领域数据平台，为数据仿真、数据分析、数据预警、知识服务打下基础。在煤层气地质工程一体化平台上，开发地质工程一体化共享数据库，数据主要分为3 类，第一类是地质勘探数据，包括钻探、测井、录井、地震勘探、电法勘探、煤储层参数等；第二类是钻完井、压裂、排采等工程设计参数及作业数据；第三类是生产、监测、监控数据。数据格式包括Excel、文档、图形、视频、音频、HTML 等文件。地质工程一体化共享数据库可以满足地质、物探、钻探、压裂、排采各专业对数据应用和数据交互的需求，实现合理的数据结构、版本管理、权限管理、邮件系统及其他数据管理系统集成、底层数据关联等系统应用基本功能。

3 专业软件及工具集成

在煤层气地质工程一体化平台中，通过数据库管理存储来集成煤层气地质、工程专业设计软件，打通地质建模、钻完井、压裂、产能优化工程设计、气井产气监测、智能排采控制上下游相关专业软件及平台的接口，实现上下游软件层面输入输出业务流的打通和相关参数及成果通过一体化平台灵活调用和共享(图4)，利用接口保证数据安全性及完整性，减少人工重复录入错误及数据泄露。其中，地质建模及分析采用Petrel 勘探开发一体化平台或GoCAD 三维地质建模平台，钻完井设计采用Compass 软件，压裂设计采用MFrac 软件，产能设计采用CBM-SIM、CMG 或Eclipse 等储层数值模拟软件，另外集成煤层气井产气贡献监测系统和智能排采控制系统。

图4 煤层气地质工程一体化平台工作软件及监测控制平台集成Fig.4 Work flow of integration of software and monitoring control platform of CBM geological engineering integration platform

例如，通过专业软件及工具集成，将地质参数输入Petrel 完成三维地质建模后，可以将地质模型及相关基本参数上传至一体化平台，供后期钻完井工程设计、压裂工程设计和产能模拟优化设计时调用，同时，根据需要也可从平台中调用后期的工程数据来修正地质模型；再如，煤层气产气贡献监测和智能排采控制系统中的生产数据可反馈给产能模拟优化软件，供生产历史拟合使用，形成闭环，以获得高质量的优化结果。

4 地质工程一体化技术工作流程

煤层气地质工程一体化平台的技术工作流程包括地质建模流程、钻完井设计流程、压裂设计流程、气井产能设计流程、气井多产层产量监测流程、智能排采远程控制流程等。通过流程梳理优化，建立相应的专家知识库，规划、简化、优化业务流程，实现全流程线上闭环管控，提高工作效率。

4.1 地质建模分析

利用地质建模软件Petrel 开展煤层气地质研究(图5)，建立三维地质模型，为后续工程方案设计优化提供基础。

图5 地质研究工作流程Fig.5 Flow chart of geological research work

该阶段流程主要包括地质条件分析、储层描述与评价、资源储量评估和有利区块优选，在对地层、构造、气体保存等地质条件研究基础上，开展煤储层展布、煤岩煤质评价、含气性及饱和度、渗透性、储层压力、地应力、储层温度的精细描述与评价，然后进行研究区块段划分、资源/储量类别确定和资源量估算，在上述工作完成后开展有利区块优选，确定出首批勘探开发目标靶区、有利区和远景区，合理安排工作顺序。

由于Petrel 并非煤层气专用软件，在煤层气地质工程一体化平台上，建议开发煤储层含气量预测模型、含气饱和度计算模型、储层压力评价模型、渗透率预测模型及储层温度评价等分析模型，便于煤储层精细描述。另外，开发煤炭、煤层气资源/储量估算功能模块，实现资源储量动态管理。

4.2 工程设计优化

气田的开发方案设计需要开展工程优化[16]。煤层气工程设计输入参数、分析内容及输出结果见表1。

表1 工程设计输入参数及输出结果Table 1 Input parameters and output results of engineering design

4.2.1钻井设计优化

钻井设计工作流程如图6 所示，利用compass 软件开展钻完井设计，设计井眼轨迹的形状，计算正钻井眼轨迹位置，计算相邻井眼轨迹之间的距离，输出井眼轨迹参数，开发井眼轨迹自动导向控制工具模块。首先，根据工作目标，确定煤层气井类型，在地质条件分析的基础上，设计钻完井方式，并开展经济成本可行性评价，最终形成钻完井设计报告。结合三维地质模型，地质与工程人员及时讨论轨迹控制方案，降低施工风险，提高钻遇率，做到提前预判，适时微调，实现精准地质导向[17]。

图6 钻完井设计流程[18]Fig.6 Drilling and completion design process[18]

4.2.2压裂设计优化

压裂设计工作流程如图7 所示。在气藏地质、工程条件评价基础上，优选压裂工艺和压裂参数，结合气井数值模拟开展水力压裂模拟工作，优化压裂参数，开展经济评价，优化选取压裂方案，在现场施工完成后，进行压后评价，并将结果反馈，不断更新三维地质模型，形成动态闭环，为煤层气藏地质和工程评价提供客观依据。

图7 压裂设计工作流程(据文献[19]，修改)Fig.7 Fracturing design workflow (modified according to reference[19])

4.2.3排采设计优化

排采制度优化流程如图8 所示，具体方法如下：

图8 排采优化工作流程Fig.8 Drainage and production optimization workflow

(1) 根据煤层展布、构造发育程度、煤体结构对煤层气田开展储层分区；

(2) 针对同一储层分区内所有生产气井及试验井，尽可能筛选涵盖气井生产周期的中、高产气井，分排水降压、产气上升、产气稳定和产气衰减4 个阶段，总结不同阶段井底压力降低速度，以中高产气井排采制度作为该储层分区的气井排采基本工作制度；

(3) 利用CBM-SIM 等煤层气井产能预测软件，对选中的中高产气井进行生产历史拟合，修正煤储层参数；

(4) 采用阶梯降压排采模式，以中高产气井实际分阶段井底压力降低速度为参照上下浮动，制定3 个以上排采方案，结合历史拟合结果，利用CBM-SIM 等软件进行产能预测，对比不同排采制度下的模拟结果，包括日产气量、累计产气量、产水量等，分阶段优选井底压力降低速度；

(5) 以上述优选的分阶段井底压力降低速度作为本区制定气井排采方案的基本工作制度，利用CBMSIM 软件对每口井进行产能历史拟合和模拟预测，制定3 个以上排采方案，优选产气时间短、稳产期长、累计产气量最大的分阶段井底压力降低方案作为最优排采方案，作为该气井排采制度，做到一井一制度，实现气井排采的精细化管理。

5 与其他平台的接口管理模块

实现跨专业的接口协作及与其他数据采集系统、试验系统、控制系统、数据分析系统等的数据共享。具体包括气井产量数据监测、智能排采远程控制接口等。

5.1 产气贡献监测平台

研发煤层气井多产层产气贡献监测仪器和数据采集系统(图9)，开发产气贡献监测控制软件及与数据共享平台接口。采集气井流体压力、温度、声波等关键参数，开发产气贡献分析预测模型，预测煤层气井不同产层段的产气量，用于气井诊断。

图9 产气贡献数据采集与控制系统Fig.9 Data acquisition and control system for gas contribution

5.2 智能排采控制平台

开发煤层气智能排采控制系统及与数据共享平台接口，搭建通信网络服务，实现煤层气井智能排采远程控制。

6 结论

a.提出了煤层气地质工程一体化平台的建设构想，将地质建模分析、钻完井、压裂、排采等工程设计优化集于一体，建立地质工程一体化的数据资源库与数据服务能力，打造专业安全的系统集成支撑体系，集成Petrel 地质建模、Compass 钻完井设计、MFrac 压裂设计、CBM-SIM 储层数值模拟等各类专业软件工具，集成产气贡献监测平台和智能排采远程控制平台，固化标准的技术工作流程，建立相应的专业知识库，可持续推出智能预警、知识快查、方案推荐等知识应用，从而辅助业务的顺利开展，最终实现“业务积累数据−数据转化知识−知识辅助业务”的良好闭环。

b.煤层气地质工程一体化平台可以打通煤层气勘探开发上下游的专业壁垒、共享全流程数据与成果，实现项目全生命周期管理，减少重复工作量，提高煤层气勘探开发工程效率和气井产量，实现降本增效。