科研動(dòng)態(tài)
非常規(guī)致密儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生構(gòu)建理論與方法
中文題目：非常規(guī)致密儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生構(gòu)建理論與方法
論文題目：Theoretical and methodological discussion on the construction of digital twin for fracture networks in unconventional tight reservoirs
錄用期刊/會(huì)議：世界石油工業(yè) (中文核心)
原文DOI：10.20114/j.issn.1006-0030.20240524001
原文鏈接：https://doi.org/10.20114/j.issn.1006-0030.20240524001
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024-10-23
作者列表：
1） 陸吉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 博 21
2） 林伯韜 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系教授
3） 朱海濤 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 博 21
4） 金衍 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 油氣井工程系教授
5） 孟翰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 智能科學(xué)與技術(shù)系教授
文章簡(jiǎn)介:
本文系統(tǒng)梳理了數(shù)字孿生的基本概念及壓裂縫網(wǎng)表征的研究現(xiàn)狀，提出了壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的五維模型及系統(tǒng)架構(gòu)，并研究相應(yīng)的孿生模型構(gòu)建方法，重點(diǎn)分析了壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生應(yīng)用于支撐劑運(yùn)移及油氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)層水力壓裂縫網(wǎng)數(shù)字化及智能化表征提供理論與技術(shù)支撐。
摘要:
水平井分段壓裂技術(shù)及大規(guī)模體積改造技術(shù)的提升，使非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)獲得重大突破和快速發(fā)展。致密油氣藏成為繼頁(yè)巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。隨著水力壓裂技術(shù)在致密儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中的推廣應(yīng)用，壓裂縫網(wǎng)精細(xì)化表征成為水力壓裂數(shù)字化、智能化發(fā)展建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)壓裂效果評(píng)價(jià)及壓裂施工優(yōu)化具有重要的意義。由于致密儲(chǔ)層天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)，壓裂后復(fù)雜的縫網(wǎng)形態(tài)給縫網(wǎng)表征帶來(lái)極大挑戰(zhàn)?；诟呔葦?shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、虛擬實(shí)體建模與分析、機(jī)理數(shù)據(jù)融合仿真與決策的數(shù)字孿生技術(shù)，為壓裂縫網(wǎng)表征提供了新思路。① 介紹數(shù)字孿生的基本概念及壓裂縫網(wǎng)表征的研究現(xiàn)狀，并提出壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的五維模型及系統(tǒng)架構(gòu)；② 將壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的虛擬實(shí)體歸納為儲(chǔ)層的地質(zhì)力學(xué)模型和壓裂縫網(wǎng)模型，研究相應(yīng)的孿生模型構(gòu)建方法；③ 分析壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生應(yīng)用于支撐劑運(yùn)移及油氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)的場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，探討壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生亟待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)并提出相關(guān)建議，旨在為致密儲(chǔ)層水力壓裂縫網(wǎng)的數(shù)字化及智能化表征與控制提供理論與方法指導(dǎo)。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著全球能源需求和油氣生產(chǎn)壓力的日益增長(zhǎng)，致密油氣藏已成為繼頁(yè)巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。致密儲(chǔ)層具有孔隙度小、滲透率低等特點(diǎn)，勘探開(kāi)發(fā)難度大。為實(shí)現(xiàn)油氣資源的高效開(kāi)采，分段多簇壓裂技術(shù)及拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)被廣泛應(yīng)用于水平井增產(chǎn)作業(yè)中。然而，目前縫網(wǎng)刻畫(huà)手段存在機(jī)理模型復(fù)雜、實(shí)時(shí)表征困難等問(wèn)題。因此，基于數(shù)字孿生建模理論，探討致密儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生模型的構(gòu)建方法，以實(shí)現(xiàn)壓裂縫網(wǎng)動(dòng)態(tài)表征。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
文章結(jié)合現(xiàn)有數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論，考慮影響水力壓裂裂縫擴(kuò)展的地質(zhì)工程因素，綜合分析水力壓裂監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)，構(gòu)建了適用于壓裂縫網(wǎng)表征的數(shù)字孿生模型，包括壓裂縫網(wǎng)物理實(shí)體、壓裂縫網(wǎng)虛擬實(shí)體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務(wù)及連接交互5個(gè)維度。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)層次架構(gòu)，逐層分析數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)與功能，并結(jié)合水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)案例驗(yàn)證數(shù)字孿生模型的可行性與實(shí)效性。
主要內(nèi)容:
文章首先闡明了構(gòu)建壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的重要背景，概述了目前壓裂縫網(wǎng)表征方法的特點(diǎn)與局限，具體見(jiàn)表1。
表1 基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的裂縫重構(gòu)方法
目前壓裂縫網(wǎng)表征方法存在諸多局限，亟需建立壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生模型，通過(guò)機(jī)理與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)的人工智能方法，融合儲(chǔ)層地質(zhì)信息、壓裂力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)、壓裂施工參數(shù)和裂縫反演結(jié)果，實(shí)現(xiàn)水力壓裂同步監(jiān)測(cè)、診斷、呈現(xiàn)與優(yōu)化。因此，文章考慮影響水力壓裂裂縫擴(kuò)展的地質(zhì)工程因素，綜合分析水力壓裂監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)，構(gòu)建了適用于壓裂縫網(wǎng)表征的數(shù)字孿生模型，包括壓裂縫網(wǎng)物理實(shí)體、壓裂縫網(wǎng)虛擬實(shí)體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生服務(wù)及連接交互5個(gè)維度，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。
圖1 壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生五維模型
在此基礎(chǔ)上，文章構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)層次架構(gòu)，自上而下包括物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和應(yīng)用層（見(jiàn)圖2）?；趬毫芽p網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，完成逐層技術(shù)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)壓裂縫網(wǎng)全生命周期監(jiān)測(cè)、控制、優(yōu)化、決策的最終目標(biāo)。
圖2 壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)層次架構(gòu)圖
為驗(yàn)證壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的應(yīng)用效果，以四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣區(qū)塊內(nèi)某水平井為研究對(duì)象，從物理、數(shù)據(jù)、模型、功能4個(gè)層面，針對(duì)該水平井的3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)需求，提出一套壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)流時(shí)序圖（見(jiàn)圖3）?；诖?，實(shí)現(xiàn)了該水平井第1段裂縫監(jiān)測(cè)、支撐劑運(yùn)移模擬及分段產(chǎn)能預(yù)測(cè)（見(jiàn)圖4）。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，通過(guò)壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)水力壓裂的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)及反饋優(yōu)化，并形成一整套壓裂縫網(wǎng)的動(dòng)態(tài)表征方法。
圖3 壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)各層間的數(shù)據(jù)流時(shí)序圖
圖4 裂縫監(jiān)測(cè)、支撐劑運(yùn)移模擬及產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果
技術(shù)分析與前沿展望
當(dāng)前壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)雖能通過(guò)機(jī)理-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)物理仿真，但仍面臨井下數(shù)據(jù)采集信噪比低、三維裂縫擴(kuò)展理論不完善、多尺度模型融合困難及計(jì)算效率不足等挑戰(zhàn)，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)同步演化的需求。為此，應(yīng)重點(diǎn)突破高精度光纖傳感與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，發(fā)展多尺度多物理場(chǎng)耦合的模型融合方法，強(qiáng)化云計(jì)算與邊緣計(jì)算協(xié)同的算力支撐，同時(shí)加強(qiáng)機(jī)理與數(shù)據(jù)模型的遷移學(xué)習(xí)能力，推動(dòng)數(shù)字孿生從"靜態(tài)仿真"向"動(dòng)態(tài)演化"升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)壓裂全過(guò)程智能診斷與自主決策。
結(jié)論:
（1）壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生涵蓋水力壓裂過(guò)程中從井筒到地層的壓裂施工、裂縫擴(kuò)展、流體及支撐劑運(yùn)移等環(huán)節(jié)，通過(guò)壓裂縫網(wǎng)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間的實(shí)時(shí)信息交互和雙向映射，實(shí)現(xiàn)壓裂縫網(wǎng)實(shí)體全生命周期的監(jiān)測(cè)、控制、優(yōu)化、決策。
（2）高保真的虛擬實(shí)體是壓裂縫網(wǎng)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。目前，通過(guò)裂縫監(jiān)測(cè)重構(gòu)技術(shù)，可以快速構(gòu)建壓裂縫網(wǎng)的幾何模型，但模型構(gòu)建缺少力學(xué)機(jī)理的約束，需要緊密結(jié)合地質(zhì)勘探成果、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，構(gòu)建機(jī)理與數(shù)據(jù)的融合模型，提高縫網(wǎng)表征的精度及可解釋性。
（3）加強(qiáng)壓裂監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備及井下工具、裂縫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高精度采集和快速傳輸，提高數(shù)字孿生模型構(gòu)建效率，最終實(shí)現(xiàn)壓裂縫網(wǎng)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間的虛實(shí)同步、互聯(lián)演化。
作者簡(jiǎn)介:
林伯韜，男，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院教授、博導(dǎo)，主要從事智能石油工程、工業(yè)數(shù)字孿生、油氣領(lǐng)域大模型等教學(xué)與科研工作。