页岩气地质工程一体化建模及数值模拟：现状、挑战和机遇

鲜成钢

斯伦贝谢公司中国地球科学与石油工程研究院

页岩气地质工程一体化理念在国内已经被广泛接受[1-3]，该理念最早是在我国川南海相页岩气开发中被较系统明确提出和阐述的[1]。四川盆地及周缘海相页岩气区很难套用北美大规模、高密度、连片化布井的开发模式。与北美商业化开发的页岩气区相比，中国页岩气开发在地质、储层、工程、地表、地貌、环境生态、水资源、基础设施等方面存在更多的与基础理论、工程技术和经济因素等相关的挑战，这对中国页岩气开发提出了非常高的技术经济指标和要求，必须工程作业效率和开发效益并重，在获得产能重大突破的基础上降本增效。地质工程一体化是发挥综合技术优势，避开北美昂贵的学习曲线，实现中国页岩气开发跨越式发展的关键途径。它是以油气藏认识为核心，在勘探开发进程中，在作业和工程实践中，通过一体化研究和一体化作业的及时互动，不断深化油气藏认识、持续优化工程应用，提高作业效率和开发效益[1-3]。

1 页岩气地质工程一体化核心内涵新 模型

地质工程一体化有从单井尺度、平台或多井局部尺度拓展到整个气田开发宏观全局尺度的强烈需求。结合国内页岩气地质工程一体化实施经验[1-2]，进一步丰富和发展了地质工程一体化理念和核心内涵，提出了页岩气地质工程一体化核心内涵新模型（图1）。该模型从全局的角度，把开发工程融入地质工程一体化研究和作业中，是以地质工程一体化研究为重要支撑，在多学科、多部门一体化共享模型的基础上，从总体上评价储层品质、完井品质和钻井品质[1]。在此基础上，结合各项工程实施部署及作业流程，通过适时建模等技术手段，从单井、平台、全气田多尺度，动态支持和优化钻井工程、完井及改造工程、生产工程和开发工程四大工程应用。

图1 页岩气地质工程一体化核心内涵新模型

在本文中，生产工程是指单井或平台如返排管理、油嘴制度、生产协调、人工举升、井下作业等生产管理和优化相关的工程措施，与英文Production Engineering相对应；开发工程指在气田或开发区块整体尺度，与布井、井距、开发部署、方案调整、开发技术政策等相关的工程应用和方案。钻井工程在保证井筒完整性的基础上，要以最有利于完井改造为设计和施工目标；完井及改造工程服务于最大化单井产量、实现产量突破和高产为优化目标；生产工程主要目的是最大化单井预测最终可采储量（Estimated Ultimate Recovery，简称EUR）和单井设计生产年限内的净现值（Net Present Value，简称NPV）；开发工程的终极目标是通过优化开发方案和开发技术政策，实现一定投资规模条件下全气田采收率最大化和全资产收益最优化。

地质工程一体化综合研究是支撑地质工程一体化作业的重要技术保障之一，根据不同的勘探开发对象，可以针对性地定义和定制地质工程一体化综合研究的主要内容和各种工程系统的主要应用。它需要建立多学科、多部门、不断更新的从一维到三维的一体化共享模型。该模型主要包括地球物理及地质模型、构造（断裂）及天然裂缝模型、地质力学模型、从单井到多井的水力压裂缝网模型以及从单井到全油气田的数值模拟模型。在页岩气地质工程一体化核心内涵新模型的基础上，根据长宁国家级页岩气示范区开发建设的具体实践[2]，对页岩气地质工程一体化在工程中的主要应用进行了概括和总结（图2）。

图2 页岩气地质工程一体化在工程中的主要应用

2 非常规油气藏建模及数值模拟现状及 进展

根据公开文献报道，从三维建模、压裂模拟和数值模拟3个方面，简要概括国内外非常规油气藏建模及数值模拟的现状及进展。

2.1 北美非常规油气藏建模及数值模拟现状及进展

2.1.1 三维建模（包括三维地质力学建模）

总体上，北美三维地学建模[4]（包括地质力学建模[5]） 起步较早，但全油气田尺度的应用案例相对较少。强烈的非均质性是非常规油气藏的重要特征，这种非均质性在不同尺度又具有非常强的差异。如何有效地综合岩心、测井和地震这些具有不同尺度的数据，使非常规储层的非均质性在三维模型中得到合理和可靠的表征，是建模和数模工作重要的基础。在过去几年中，北美发展并实践了“非均质非常规油气藏多尺度一体化表征”方法[6-8]（图3）。其中，地震非均质性分析 (Seismic Heterogeneous Rock Analysis)概念及工作流程是其中一项较突出的技术[6-7]（图3）。遗憾的是，这套针对性和实践性都很强的方法，除了在Haynesville的盆地级别研究中有应用之外，在公开发表的其他文献中没有看到更多应用实例，这套技术在国内一体化研究和建模工作中值得借鉴、应用和发展。

图3 非均质非常规油气藏多尺度一体化表征方法

2.1.2 非常规储层一体化水力压裂建模

北美水力压裂建模及模拟技术发展很快，已经形成较系统和完善的非常规油气藏压裂缝网建模、一体化压裂建模及评估技术、与现代压裂工艺相匹配的压裂建模技术、全耦合建模及数模技术等，并广泛应用于储层改造设计、后评估及优化研究[9-27]。储层改造效果评价和改造参数优化很大程度上取决于水力裂缝模型的准确性或可靠性。在非常规储层所期望达到的缝网或体积改造中，天然裂缝系统起到了至关重要的作用[10]。北美目前的水力压裂模拟器已经可以处理三维天然裂缝系统，近期又进一步拓展到多期次（多套）复杂天然裂缝系统储层的水力压裂缝网建模及模拟[21]。这种技术对于我国普遍经受过多次强构造运动改造的页岩储层来说，具有较强的应用价值，但其对天然裂缝系统的建模提出了更高要求。应力阴影是水力压裂设计、建模和施工中需要考虑的重要内容。近年来已经可以在简单的一维水力裂缝到二维复杂水力裂缝缝网中考虑应力阴影的影响[10]，近期基于以二叠纪盆地为代表的立体布井实践，把这项工作拓展到了三维建模[21]。

2.1.3 非常规油气藏数值模拟

数值模拟技术在非常规油气藏也得到了广泛应用和快速发展，随着新一代高性能数值模拟器的出现，以Fan Li等[28]为代表的结构化网格等效数模技术转向了非结构网格高分辨率数模技术，从而更好地模拟水力裂缝网络的生产动态。同时，北美发展了“水力压裂、地质力学和油气藏动态全耦合数模”技术（图4），考虑压裂过程中和生产过程中孔隙压力变化引起的就地应力场改变，主要应用于水力冲击压裂（FracHit）、井距优化、加密钻井、重复压裂、高密度或立体复杂井网等研究[14-27]。从公开报道的文献看，由于这项技术应用的复杂性，目前主要在一个平台范围内的井组开展针对单井、双井或多井的研究工作。

2.1.4 云计算技术

图4 水力压裂、地质力学和油气藏动态全耦合数值模拟技术

从储层品质、完井品质、改造参数等方面，改造优化需要考虑的影响因素或参数很多[28-37]，而数学模型越来越复杂，运算量越来越大。北美开始采用云计算技术，结合多因素不确定性优化技术，摆脱单因素或多因素统计分析及有限模拟方案研究的局限性，更高效、更全面地掌握产能主控因素和主要作业优化参数。斯伦贝谢公司近期实施的一个Wolfcamp致密油改造优化研究项目，使用云计算技术运行了超过1200多个复杂缝网模拟方案，形成了基于主控成分的最优化“穹顶”或者最优化域“空间分布”，使改造优化认识的实用性和适用性得到了极大提高。

2.1.5 从地球物理到数值模拟一体化三维建模

在页岩气田开发建产阶段，北美很少有在全气田尺度涵盖从地球物理储层反演和预测、构造及地质建模、地质力学建模、水力压裂建模及数值模拟的全方位、全过程的一体化建模及数模案例。尤其是非常规油气藏全油气田数值模拟，迄今还没有看到北美公开报道的案例。Suarez等[4-8]较早在盆地级别开展从地球物理到地质力学一体化三维建模工作，但总体上北美对地球物理资料综合运用的案例相对较少。究其原因，可能是北美页岩油气主要产区地质条件较好，拥有大量的井资料，能够以井资料为主建立较可靠的三维构造及地质模型。近期Liang等[15，25]发表的案例，很好地展示了如何以1100口直井测井资料为基础，建立高分辨率三维构造及地质模型、地质力学模型；在此基础上在典型平台开展“水力压裂、地质力学和油气藏动态全耦合”参数研究及敏感性分析。这个案例是北美公开发表、为数不多的气田尺度三维一体化建模实例，但没有表明其使用了三维地震数据。

2.2 国内页岩气建模及数值模拟现状及进展

与北美相比，我国南方海相页岩气勘探开发的资料基础尤其是井资料基础非常薄弱，因此从一开始就非常重视地球物理资料的采集、应用和深度挖掘。在我国页岩气地质工程一体化建模、数值模拟研究及实践中，最初就涵盖了地球物理储层反演和预测、构造及地质建模、地质力学建模、水力压裂建模和数值模拟的全方位、全过程[1-2]，而近期的工作又将页岩气数值模拟从平台尺度拓展到了全气田尺度。

我国主要页岩气储层均经历了多期次强构造运动的强烈改造，发育非常复杂的断裂和天然裂缝系统，对其建模的精度和可靠性将直接影响地质力学建模和水力压裂缝网建模的精度和可靠性。因此，在我国页岩气地质工程一体化建模及数模研究中，断裂和天然裂缝系统建模是承上启下的关键环节。通过多年实践和探索，逐渐形成和发展了与复杂构造运动背景相匹配的多尺度断裂及天然裂缝系统建模方法和质量控制流程[37-38]。复杂的构造及微构造、断裂和天然裂缝系统，形成了复杂多变的现今就地应力格局和分布，对三维地质力学建模提出了非常高的要求。在过去几年的地质工程一体化建模研究中，发展和完善了针对性的三维地质力学建模流程和方法[39-41]。由于我国页岩气地质工程一体化建模及数模面对的研究对象更为复杂，井控资料相对匮乏，在实践中采用了与钻完井作业进程相匹配的“适时建模”（Live Modeling）方法，不断利用各种可以利用的新数据和新资料质控和更新各种模型，以提高模型精度，降低模型不确定性[37-40]。此外，在页岩气地质工程一体化建模及数模的基础上，运用气藏工程分析方法与单因素和多因素分析相结合，对产能主控因素开展较系统的分析和研究[42]。

宁201井区地质工程一体化建模及数模研究[43]代表了该领域国内发表的最新成果和进展。针对示范区建设过程中存在的“Ⅰ类储层钻遇率较低、井筒完整性较差和体积压裂效果仍需提高”等难题，在充分运用地震储层预测技术、测井储层评价技术等综合地质评价的基础上，发展完善了页岩气地质工程一体化建模技术。建立了涵盖构造、储层、天然裂缝、地质力学等各种要素的地质工程一体化模型，定量刻画了储层关键地质和工程参数在三维空间的展布规律，实现了页岩气藏的可视化，打造了“透明页岩气藏”[43]。

在宁201井区页岩气地质工程一体化研究中，开展了水平井多级压裂复杂缝网模拟、双井拉链式压裂缝网模拟、复杂缝网与气藏及地质力学动态耦合模拟等数值模拟工作，并在国内首次尝试了页岩气全气田尺度的数值模拟研究。根据公开发表的文献，国外尚未开展页岩气全气田数值模拟研究工作。尽管一些专家和学者根据北美非常规油气田开发实践，认为这种全气田数值模拟模型的必要性值得商榷，但如果数值模拟的最终目标是建立数字化页岩气田的核心动态模型，是为了实现整个气田甚至多个气田从地下到地面一体优化，那么它应当是一项非常必要的工作。

3 页岩气地质工程一体化建模及数值模 拟面临的挑战

作为页岩气地质工程一体化研究的重要支撑，一体化建模及数值模拟仍然存在诸多挑战。对过去几年在页岩气地质工程一体化研究中开展的建模及数模工作进行分析，从与钻井、完井及改造、生产和开发四大工程系统紧密相关的应用角度，在5个领域总结和提出了关键性的现实挑战。

3.1 复杂天然裂缝系统定量表征

由于多期次、强构造运动的强烈改造，四川盆地及周缘的页岩气形成了复杂的断裂（天然裂缝）系统。这也是与北美著名页岩气储层相比，我国海相页岩气储层一个显著不同的地质特点。同时，从钻井取心和井筒电阻率成像测井上，可以观测到垂向上发育层面缝和水平薄弱面。由于缺乏水平井成像测井等测量手段，单纯依靠地球物理测井和直井取心，很难表征不同天然裂缝系统的产状和几何参数，而不同期次、不同尺度天然裂缝系统的地质力学参数更难直接测定。因此，天然裂缝系统定量表征和建模，仍然是一体化建模和数模中承上启下的最不确定环节，直接影响着地质力学模型和水力裂缝建模的可靠性和精度，同时也在一体化建模及数模过程中，制约地质模型、地质力学模型、水力裂缝模型和数模模型的尺度关联与分辨率匹配。因此，复杂天然裂缝系统的定量表征，从基础理论、关键参数测量到定量建模方法及流程，存在众多需要不断改进和提高的细节或环节，是今后研究攻关的重要技术领域。

3.2 井筒完整性

在四川盆地页岩气开发中，尤其是在威远地区，压裂中和压裂后发生的套损现象比较普遍。而国外其他高构造应力背景的页岩油气储层比如阿根廷的VacaMuerta，压裂中和压裂后发生的套损也比较严重。目前的套损研究，更多是集中在基于材料力学的静力学研究，或者是基于地质模型或施工响应分析等开展的定性分析，不能充分考虑下套管、固井这些作业过程对套管初始内应力分布的影响，不能充分考虑在多级压裂的动态受力条件下，套管、水泥环和储层尤其是断层或天然裂缝带的相互作用。

3.3 平面（立体）加密井或立体布井

五峰组—龙马溪组优质海相页岩段在部分地区厚度较大，通常为30m以上。而实践表明，基于目前的改造技术和改造强度，水力裂缝的垂向有效支撑通常是10～20m，有的甚至可能小于10m。对已开发建产区实施平面甚至立体加密布井提高资源动用率和采出程度、对未开发新区开展立体布井部署，存在强烈的现实需求。在垂向改造可能受目前压裂改造技术和工艺水平限制的情况下，要前瞻性探索五峰组—龙马溪组页岩立体开发的可能性和可行性（图5）。

图5 平面（立体）加密井或立体布井建模及数模研究示意图

3.4 页岩气田全气田数值模拟

坦率地说，页岩气田全气田或全资产项目数值模拟目前还处在“解决有无和解决可行性”的层面，因为它在理论和技术上还存在巨大挑战。这些挑战主要包括：由于涉及的系统众多，参数复杂多变，各种关键参数的获取比常规气藏困难，参数不确定性高；各种获取参数的实验室方法和矿场试验方法也有待进一步突破，如应力敏感性、水力裂缝有效性等；不同模型的不同尺度之间，精度、可靠性和计算效率之间，如何建立一致性工作流程并实现计算效率和计算精度平衡；在基础理论领域，业界对纳米孔隙的微观渗流规律、高压条件下纳米孔隙中甲烷分子的吸附态和相态等[44]还存在巨大分歧，相关的数学模型还无法取得业界共识，还不能满足大规模数值模拟计算和各种实际工程应用的要求。

3.5 井筒动态和气藏动态耦合

井筒水动力学对生产的影响及与气藏动态的相互作用，在一定情况下，可以对页岩气井的生产动态和产能带来不良影响，甚至影响到整个气田的开发效果[45-55]。由于井筒倾角的变化和局部“微狗腿”的影响，气水（压裂液）两相在井筒中可以形成非常复杂的流态。如图6所示，根据实验室观察，气、水两相在局部起伏结构可以形成多种流态，沿井筒的复杂流态和气液分布，可以产生较大的附加阻力甚至形成“液锁”，从而严重制约页岩气井产能[45-47，49]。返排和生产过程中强烈的段塞流动可以造成井底巨大的瞬时压差变化，诱发支撑剂回吐和（或）高压差对近井地带水力裂缝导流能力和连通性的伤害，使页岩气井产能受到严重损害[47]。返排、生产尤其是生产中后期的举升系统选择和优化，必须充分考虑井筒中复杂流态的制约和影响[49-52]。井筒复杂流态形成复杂生产动态这个问题，在我国页岩气开发中可能会更加突出，因为国内页岩气储层微构造、微断层发育，水平井轨迹局部变化更频繁和剧烈，井筒内可以出现极其复杂的流态和气液分布。

图6 局部起伏结构形成的流态

4 页岩气地质工程一体化建模及数值模 拟的发展机遇

前文论述的挑战，同时也是进一步完善和发展页岩气一体化建模及数模技术的重要机遇：

（1）在一体化建模中，要把复杂断裂及天然裂缝系统的定量化建模作为进一步攻关的重点。在深度挖掘地震资料在裂缝建模中应用的同时，强化与构造地质研究的互动和集成，通过对构造和应力演化史的物理模拟和数值模拟，从理论上掌握断裂和裂缝发育机制和模式、不同期次裂缝系统相互作用、不同尺度裂缝尺度理论比例关系及其宏观分布趋势，指导定量化建模。强化采集高品质地震数据的同时，要注重在水平井采集高分辨率井筒成像数据，以期为裂缝系统的平面分布及裂缝参数提供更直接的测量数据。

（2）开展高压高应力页岩气多级压裂水平井套损机理及对策研究，需要有针对性地设计相关材料力学实验，进行单井套损机理系统测井测量及综合评价，在此基础上，开展气田—平台—井筒多尺度全耦合动态建模及数值模拟，深入理解和掌握套损的动态机制（图7），从而为套管设计、固井及完井压裂优化、生产管理提供更加准确可靠的理论依据。

图7 建议的高压高应力页岩气多级压裂水平井套损机理及对策研究方法

（3）在平面、立体加密井或立体布井建模及数模研究中，除了考虑在平面或空间的井位优化，还要充分研究原有井生产如何改变孔隙压力和就地应力分布。在此基础上，需要系统性研究：加密井区选择、加密钻井时机选择、加密井完井与改造优化、压裂冲击（Frac Hit）[23]监测及评估、加密井及邻井在产井的井筒完整性、加密后加密井及邻井生产干扰及生产制度优化等。

（4）非常规油气藏的大规模数值模拟工作还任重道远，需要进一步从基础理论、关键参数矿场测量、建模优化等领域开展深入研究，从而将页岩气全气田数值模拟技术从理论和应用，提升到更适用更可靠和更高的层次，使其在智慧化页岩气田中充分发挥价值。

（5）北美R.Jain等较早地提出在完井设计中，要充分考虑井筒复杂流态的影响，建议通过将井筒动态和气藏动态耦合的方式，优化非常规水平井完井设计[53]。Alfonso Fragoso等近期又进一步实现了单井数模模型、井筒动态模型和地面设备的简单耦合，开展非常规储层的提高采收率研究[54]。在今后的页岩气地质工程一体化建模和数值模拟研究中，需要进一步考虑井筒水动力学与气藏动态的相互作用以及对生产的影响，通过井筒模型和气藏模型的耦合，指导单井初期返排和优化生产制度管理、优选（中后期）人工举升方法、优化多井甚至多平台生产协同和调度。

在进一步发展和完善各个专业领域的建模及数值模拟技术的基础上，将一体化共享模型与数字化、智能化页岩气田相连，是地质工程一体化建模及数模的终极追求[55]。基于数字化、智能化的页岩气田可以实现：气藏—井筒—地面系统一体化建模及优化；气藏管理—气井动态—举升优化—流动保障—测量与监测等各个领域相互耦合；各种模型与作业管理、作业支持、资产管理、风险预警、决策支持的业务流程和作业进程相联系；页岩气田全生命周期管理及优化。充分运用基于大数据、多学科的一体化模型驱动数字化、智能化页岩气田的建设，将数据转化为信息、信息转化为知识、知识转化为决策和财富，真正发挥数字化、智能化的巨大推动作用，实现更充分的增效降本。

5 结束语

地质工程一体化是高效开发复杂油气藏的必由之路，贯穿项目全过程的地质工程一体化综合研究起到重要的技术支撑作用。在以三维共享综合模型为基础的地质工程一体化综合研究中，以单井或平台为目标的钻井、完井与压裂、返排测试及生产制度的工程设计及优化，仍然是一种局部优化。随着开发规模的不断扩大，加密钻井和立体布井等技术需求的出现，地质工程一体化需要考虑全局优化。因此，以整个气田、区块或项目资产为目标优化的开发工程，应该纳入地质工程一体化的核心内涵。

一体化建模及数模是地质工程一体化研究的核心内容之一。与各自的页岩气地质工程特点和数据基础相适应，北美和我国在非常规油气藏一体化建模及数模领域的进展各具特色、各有千秋。北美在非均质非常规油气藏多尺度（地震、测井、岩心）一体化表征、(多期次、多套)复杂天然裂缝系统储层水力缝网建模及模拟、基于云计算和大数据分析的压裂优化参数研究等方面，值得我们参考和借鉴。

复杂天然裂缝系统定量表征、多场和多尺度耦合井筒完整性、平面或立体加密钻井或立体布井、复杂渗流机理条件下的高效全气田数值模拟、井筒流体动力学和气藏动态耦合等5项挑战，是页岩气地质工程一体化建模及数模进一步发展和提高的重要研究领域。对它们的研究不断深入和发展，将进一步满足钻井、完井与压裂、生产和开发四大工程应用局部和全局优化的现实需求。