数字煤层气开采辅助决策支持系统项目方案建议书

16/16数字煤层气开采辅助决策支持系统立项建议书目录1 背景及概括 32 需求及目标 32.1关键需求 32.2建设目标 43 项目建设内容 53.1伴随式工程建设 63.1.1探井过程现场资料采集与矢量化 63.1.2区块现场三维场景可视化构建 63.1.3地质构造精细网格化构建 63.2软件系统建设 73.2.1勘探开发辅助决策支持模块 73.2.2钻完井工程辅助设计模块 83.2.3煤层气排采数值模拟模块 103.2.4煤层气生产管理模块 113.2.5可视化培训模块 123.2.6软件定制开发 123.3第三方软硬件购置 123.4伴随式工程实施 134 建设价值 135 进度计划 15背景及概括煤层气领域作为中海油和气电集团的新产业布局，伴随着安全、环保和新能源的推动以及国家对煤层气开采的扶持力度，煤层气开采势必成为气电集团的重要发展领域。然而，我国针对煤层气勘探开发的技术尚处于初级阶段，有必要通过对实际工程项目的深入研究与经验积累，形成中海油自主知识产权的数字煤层气开采辅助决策支持系统，不断提高中海油煤层气的开发水平以及相关领域的话语权。气电集团澳大利亚Exoma煤层气项目，涉及气田开发、管道输送、LNG液化厂，覆盖了煤层气开采的完整产业链。项目涉及不同的管理特点，例如上游勘探开采（复杂的地质信息管理），中游管道运输（点多、线长、面广），下游LNG液化（设备密集高危），这些不同的管理特点，给日常安全管理、高效开采、生产带来了挑战。特别是上游煤层气开采，涉及地质勘探、分析，钻井、测井、试井、模拟计算分析，压裂、排采等多个环节，目前的信息系统及技术手段，难以满足海量数据展示分析、模拟计算、开采管理等应用，对于高效开采、安全生产提出了较高的要求。需求及目标2.1关键需求伴随式数据采集需求煤层气开采是一个蔓延式过程，EXOMA项目处于预勘阶段，未来将要开钻大量的勘探井与生产井。数据资料与工程经验的积累是形成中海油自主知识产权的煤层气相关标准、技术规程和规范体系的基础与前提，伴随工程建设期对数据资料进行收集与入库，是保障数据质量的有效途径。另外，有必要通过实际工程的验证、逐渐调整，形成数字煤层气的数据采集标准，为后续钻井的数据采集提供依据。各类数据资料的统一整合与可视化需求煤层气项目涉及不同专业大量的图纸资料，比如：地震解释数据、储层顶底等高线、煤层厚度图、煤层含气量综合图、资源丰度综合图、完井综合柱状图、煤系井段综合柱状图、钻井设备布置图、供电系统图等等。另外，在钻井、测井、录井过程中产生大量的随钻地质资料与分析数据，比如资源因素（煤阶、煤层厚度、含气量、资源丰度），保存因素（吸附饱和度、储层渗透率），储层因素（有效应力、面积、地解比、压力梯度、煤体结构、镜质组含量、构造条件、埋深）等等。在解决实际工作问题过程中，由于图纸太多、数据资料太多而导致获取信息效率低，浪费大量时间在资料的整理上。管理部门需清晰各类信息，以直观、形象的方式展现，决策者可快速查询及理解各类信息，为决策提供依据。模拟计算分析及系统整合需求对于煤层气开采来说，无论是勘探、试井、测井、开采都有大量的模拟分析计算，涉及不同类型的海量参数与计算模型、计算软件，参数收集、整理、录入都带来大量的工作，并且易于出错，缺少一个统一的平台对各项参数、算法、模型、软件进行整合。煤层气开采定制的业务应用功能需求煤层气开采涉及上游钻采、管道运输、液化处理等不同产业，需要根据不同产业的需求，定制相应的应用功能，提升日常的工作效率。2.2建设目标项目总体建设目标包括以下几部分：（1）建立煤层气开采全生命周期数据服务中心，将整个阶段的各类数据统一整合，形成数据中心，为各类业务应用、管理者进行决策分析提供全面、准确的数据支持。（2）建立统一业务平台，作为一体化业务门户，面向使用者的业务整合平台。（3）在煤层气开采不同阶段，辅助相关人员（如决策管理层、勘探开发人员、研究所、钻井工程师、地质工程师、监督监理等）进行不同层面、不同内容的决策应用。（3）勘探开发阶段，为勘探项目组与论证专家提供全面准确的勘探数据库，提供三维可视化的直观论证环境，为决策管理提供强有力的数据支撑；另外，提供三维地质及油气藏环境下的靶区优选、井型优选、井网布局等辅助决策应用。（4）钻完井阶段，帮助钻井工程师快速完成从定井位、井眼轨迹设计到井身结构设计，再到钻井施工中所涉及的绝大部分的设计与计算等工作，利用三维平台，实现海量参数信息的管理与导入，使计算模拟工作便捷化、可视化。（5）煤层气排采设计阶段，辅助分析产气时间与降压周期，为后期排采方式的优选及各种排采方式的优化设计提供合理依据。（6）煤层气生产阶段，为生产管理人员与决策人员提供实时生产状况与统计分析信息，为调整排采参数与生产工艺提供决策信息。项目建设内容项目总体建设内容如下图：3.1伴随式工程建设通过前期项目的实施，我们发现，资料的重复性收集与数据资料的漏收集现象较为严重，且数据资料多分散在不同机构、不同部门中，难以快速查询与调阅。目前钻井的数量还较少，数据资料的管理尚且如此，考虑到后续大量井的施工建设，势必会产生海量数据，如何将这些资料有效保存与管理，形成宝贵的数据知识库，是亟待解决的问题。3.1.1探井过程现场资料采集与矢量化对2020年、2021年、2022年的探井进行现场调研、数据采集、分析、整理与植入工作，对钻井、生产或者其他作业中的几乎所有数据进行采集，包括：钻井日报、套管报告、固井报告、取心、成本预算、中途测试、地质报告、事故报告、录井报告、物资运输、井壁取心、井眼设计、设备运行、钻井液运输、地层剖面、压裂、射孔、试采、生产测井、井下作业等。通过对探井过程数据的收集与矢量化，形成高质量的数据基础，为后续煤层气开采提供可靠的决策依据。3.1.2区块现场三维场景可视化构建通过三维可视化手段构建井场三维场景，包括井场开采动态、井场地面设备设施、井下钻井设备等，便于快速、直观了解现场情况。主要包括2020年、2021年、2022年的井场。3.1.3地质构造精细网格化构建随着后续工程建设的不断深入，地质构造情况逐渐探明。结合精细的地质拟合算法和探井数据，不断建立更为精细的地质构造体，包括层位分布、储层顶底板、断层、煤质、目的层物性与含油气性等。在三维可视化平台中实时有效地了解精细地质构造，为有效调整设计方案提供地质导向作用。3.2软件系统建设3.2.1勘探开发辅助决策支持模块勘探开发数据库管理勘探数据库是井位论证、井型优选、井网布局设置的基础，为其提供决策依据。主要实现对勘探历程数据、勘探现状数据、地震资料采集数据、地震资料处理及效果分析数据、地震资料解释成果数据、层位标定及波组特征成果数据、构造解释成果及对比成果数据、构造特征数据、构造格局数据、断层展布及断裂特征成果数据、局部构造数据、构造演化研究成果数据、油气成藏条件成果数据、烃源岩特征与资源潜力研究成果数据、储集层特征研究成果数据、沉积特征数据、沉积相带数据、沉积体系数据、储层分布特征数据、储层物性分析数据、圈闭条件数据、油气藏形成特点研究成果数据、区带评价及目标优选成果数据、井位设计成果数据等的入库管理。支持权限管理、流程管理、增、删、改、查等数据库的基础管理功能。通过对勘探开发各类数据的集中管理，可提高勘探井位部署论证过程的工作效率。地质构造精准反演数据可视化展示：可利用三维可视化平台，把煤层和围岩的裂隙属性、煤层厚度、断层及其它构造分布、煤层埋藏深度、煤层的倾角与露头位置、煤化程度等数据通过复合、集成及融合，进行可视化展示，提高汇报质量和效果，加速决策效率。三维地质及油气藏环境下的井网设计靶区优选：为用户提供不同的油气藏过滤条件（镜质体反射率、渗透率、煤密度、最小主应力、上覆压力、解吸压力、地层压力），优选出商业价值高的油气藏目标，针对不同的油气藏模型和用户开采能力，自动产生目标靶点。井型优选：结合区块资源丰度及规模、渗透性及解吸能力、煤体结构、地质条件、外部环境等各类因素，辅助进行井型优选设计；同时能够将井型优选的结果进行透彻、可视化显示。井网规划可视化磋商：提供三维设计面板，在全息透视环境下，可自定义规划靶区，通过输入或鼠标拖动来设计井控面积、井距、排拒、井数，来设计井网布局。井网布局、靶区、空间井型等各类信息可叠加、透彻显示。3.2.2钻完井工程辅助设计模块钻完井数据库管理（1）钻完井数据查询及分析分类管理：支持对钻完井数据按照钻井日报、套管报告、固井报告、取心、成本预算、中途测试、地质报告、事故报告、录井报告、物资运输、井壁取心、井眼设计、设备运行、钻井液运输、地层剖面、压裂、射孔、试采、生产测井、井下作业等进行分类入库与管理。综合查询：支持按照井年代、井资源类型（煤层气井、页岩气井、页岩油井、砂岩油井）、井型（直井、斜井、羽状井）、钻机类型、井资源量等查询模式对各类井信息进行综合查询。统计分析：支持按照自定义组合模式对各类关注信息进行统计分析。如针对不同井进行事故、事故处理费用、日进尺、每米成本、每日成本等的统计。自定义设置：支持对查询分类、查询分析结果等进行自定义设置，用户灵活控制。比如井化验分析数据的对比。（2）钻井实效分析与成本预算成本预算管理：对每口井的预算、AFE、作业过程费用（包括场地平针费、钻机租赁、拆迁费、设备购置费等）进行统一的管理。并支持各种结果的统计分析，可以表格或者曲线方式显示结果。如进度曲线、每米成本曲线。对比分析：比较不同的钻井作业过程，能将设计与实施情况进行对比分析，形成经验；对非钻完井时间因素进行统计分析与预算，并形成经验，提高成本预算精度。钻具三维模型库构建EXOMA项目煤层气开采的钻具组合三维模型库，将各类钻具的性能参数进行入库管理。同时将钻具组合之间的逻辑关系植入，为钻井工程设计提供支撑。井轨迹辅助设计定向井轨迹设计：充分考虑工具导向能力，依据所设置的各种约束条件（如造斜点、狗腿严重度、方位漂移率、降斜率和井斜角等限制条件），提供多种井眼轨迹曲线设计方法（如最小曲率法、曲率半径法、平均角法平衡正切法、正切法），使用任意目标组合、造斜点或地面位置来建立轨迹。井轨迹实时跟踪：通过井场与后方的数据传输，能实现MWD、LWD数据的实时传输，辅助复杂结构的施工决策，能够实时对计划井轨迹与实际井轨迹进行对比分析，并结合三维地质构造进行可视化显示，实现现场定向工程师与后方决策人员、技术人员的信息共享和远程决策。井身结构辅助设计主要是根据地区特点和井的自身条件，确定在保证工程需要的条件下应下几层套管，同时确定各层套管的下入深度、套管尺及相应钻头尺寸。（1）中间套管下深设计平台植入计算公式，后台自动计算地层破裂压力的当量泥浆密度；自动与破裂压力曲线数据对照，自动给出中间套管下深假定点。结合地层压力数据，后台自动计算，校核套管下入深度是否压差粘卡套管，确定合理中间套管下深。（2）表层套管下深设计根据中间套管鞋处的地层压力当量密度，后台自动计算井涌关井情形下，表层套管鞋所承受当量密度，接近等于地层破裂压力时的深度为最佳表套下深。钻具组合辅助设计通过建立钻杆强度校核、三轴应力分析数学模型、钻杆长度计算公式，可以计算不同钻具组合在不同的井身结构中的效果，自动提示优选的钻具组合，以及每一类钻杆的钻铤、钻柱长度。校核分析：对于设计好的钻具组合，支持校核分析，提示校核结果钻井参数辅助设计支持完整的循环系统分析，钻头水眼优选，压力损耗，抽吸激动压力和井眼清洁计算等，为优化钻井提供依据。最优排量辅助设计：通过建立宾汉流体水力学模型，计算最大钻头水功率模式与最大冲击力模式下的最优排量。系统整合各计算参数，快速得到优选结果。最优临界井深辅助设计：通过建立宾汉流体水力学模型，计算最大钻头水功率模式与最大冲击力模式下的最优临界井深。系统整合各计算参数，快速得到优选结果。各井段压力损耗系数：可准确计算地面管汇、钻杆内、环空内、钻头及等各环节的压耗和流量。压井辅助设计在钻井过程中，为防止井喷事故，需要实行压井等井控手段，迅速恢复和重建压力平衡关系，使地层中的流体压力不大于井内泥浆柱压力。压井参数设计包括压井所需钻井液密度、钻进所需钻井液密度、压井所需钻井液体积、初始立管总压力、终了立管总压力、重泥浆到达钻头所需的时间、许可的最大关井套压。系统提供这一系列的分析和计算工具。套管柱辅助设计把套管的钢级、壁厚和强度等性能参数存入数据库，通过建立套管强度设计和载荷计算的数学模型，根据原始数据计算相应载荷后，可自动查询并列出所有符合强度要求的套管种类，供设计者根据实际情况选择。压裂辅助设计压裂设计的核心在于围绕降低对储层的伤害以充分发挥地层潜力。压裂设计依据包括井基本数据、岩石学特征、粘土矿物特征与储层敏感性、储层参数、地应力、岩石力学性质、孔渗饱参数。系统将这些各类数据进行整合。压裂设计主要包括确定施工排量、压裂液用量、施工泵压、压裂所需功率、加砂量和加砂浓度、平衡压力等。系统提供这一系列的分析和计算工具。3.2.3煤层气排采数值模拟模块煤层气解析压力预测应用两种方法建立等温吸附曲线，预测不同煤阶煤的解吸压力；（1）Langmuir等温吸附模型（2）温度压力综合吸附模型渗透率预测综合考虑煤层裂隙闭合、基质块收缩的自调节效应，分析煤储层渗透率、孔隙度的动态变化状况，为确定合理的生产压差提供参考依据。产能预测运用动态预测、回归法产能分析进行产能预测，应用预测的日产水、日产气量确定降压周期，为后期排采设备选型、确定合理排采制度提供参考依据。动态预测：运用煤储层地质参数（即：煤层厚度、含气量、供气面积、吸附常数、渗透率、孔隙度、相对渗透率、煤层压力、临界解吸压力等），考虑煤层裂隙闭合、基质收缩的自调节效应，结合井身结构，采用物质平衡法对水平井产能做动态预测。回归法：对于已经投产的煤层气井，运用现有的生产数据进行产能拟合回归，在拟合的基础上预测煤层气井产水、产气随井底流压的变化状况。不同排水采气方式优化设计支持对有杆泵、螺杆泵、电潜泵等排水采气方式的工作参数优化设计。在工作参数优化设计中，以煤层气井的最大产水量（煤层气井抽排初期，压裂液尚未排完，产水量很大，此阶段产水量的预测即为煤层气井的最大产水量）作为排采设备选型及建立相应工作制度的依据。（1）有杆泵设计：用最大的抽吸参数选择相应的泵参数，以满足所预测的煤层气井最大产液量，同时满足在需要的最大下泵深度下，悬点最大最小载荷和减速箱输出轴扭矩等基本参数不超过其允许值。（2）螺杆泵设计：尽可能选用有过剩扬程能力的泵；分析计算杆柱在扭矩和轴向力条件下的复合应力，设计杆柱组合；由螺杆泵处抽油杆的扭矩预测光杆扭矩，确定地面电机额定功率。（3）电潜泵设计：根据气井最大产水量选用泵的额定排量；以排出液的最大密度推算离心泵的轴功率，并计算所配电机额定功率、变频调速器额定功率、电源变压器额定容量、泵扬程、级数等，并进行敏感性分析。在软件使用界面中，只需输入少量参数，即可得到优选结果。3.2.4煤层气生产管理模块主要是通过整合生产现场实时监控系统中的数据来进行相关应用。生产监控：实现对井口套压、井底压力、井口温度、动液面高度、产水量、产气量、CI离子含量等的实时监控，在系统中实现面向对象的信息查询与可视化展示；生产统计：实现各钻井每日产水量、产气量统计分析；预警报警：对关注参数设置阈值，结合三维进行预警提示。一旦达到阈值，可进行声音报警并自动定位到报警点。3.2.5可视化培训模块煤层气开采作为一项全新的业务，其开采工艺、技术与常规油气田开采不同。将煤层气开采的相关工艺（如起下钻、压裂、井控、卡钻处理过程等）基于三维可视化环境进行直观展现，一方面为员工培训提供更真实的教材，便于其快速掌握相关工艺；另外，这些可视化培训教材可成为煤层气开采知识库中的重要内容，为后续其他区块煤层气开采提供宝贵的知识库。3.2.6软件定制开发定制开发伴随整个项目周期，包括现场需要的各类辅助计算、结果输出、现场管理公司需要的统计数据报表、气电集团需要的统计数据和报表、便于变现工作进展的分析数据定制、能否反映地层整体储量和工业开采价值的计算数据以及报表等。3.3第三方软硬件购置充分考虑到本项目中的实际使用需求、显示需求，建议采购的第三方软硬件包括：服务器2台，客户端20台，磁盘阵列1台，服务器操作系统2套，数据库软件1套。为了更精细描述地质构造，建议购置较为精细的地质拟合算法；针对EXOMA项目的实际地质环境，建议购置适合的、针对性数学模型，以便更准确的预测储量与采收率。3.4伴随式工程实施包括会务、外协，软硬件安装调试，项目实施与试运行，系统培训服务等各项内容，伴随整个项目建设周期。建设价值工程三维可视化及知识管理方面：面向对象价值体现集团领导、澳投公司相关部门直观了解现场井网的分布态势、周边情况、最新开采状况现场过程数据的收集整理，为后续决策分析提供真实数据来源研发中心为区块油气藏评估提供数据来源与可视化展示环境钻井工程师知识管理库，记录钻井事件与事故的“经验知识”，例如：记录卡钻、井漏、井眼问题、井控事故、划眼等事故的发生与处理等，积累经验教训，经验教训直接应用到钻井设计、钻井作业和事后分析，有效降低作业风险。上述所有对象利用三维可视化环境展现丰富地质构造信息，如地层、断层、井、物性数据等，提升沟通理解效率，进而提升决策效率。勘探开发辅助决策支持方面：面向对象价值体现勘探项目组区块内勘探资料的快速查询，提高数据获取效率三维可视化的论证手段，研究成果的展现更为清晰，提高勘探井位论证研究质量和效果现场过程数据的收集整理，为后续决策分析提供真实数据来源相关领域专家勘探井位地质研究成果的集中管理，支持汇报人员完成勘探井位论证的汇报材料提交，论证专家在论证之前有一定的时间对参加论证的资料进行认真消化分析，论证会上，技术人员就可以把时间用于关键问题进行详细论证，提高勘探井位部署论证过程的工作效率决策管理层全生命周期数据库，为各类决策提供全面的数据支持三维地质及油气藏环境下的井网设计辅助决策，提高决策效率钻完井工程辅助设计方面面向对象价值体现设计人员、地质工程师、钻井工程师大量分析、模拟、计算是钻完井工程设计工作的核心，利用三维平台，实现海量参数信息的管理与导入，使计算模拟工作便捷化、可视化帮助钻井工程师快速完成从定井位、井眼轨迹设计到井身结构设计，再到钻井施工中所涉及的绝大部分的设计与计算等工作。决策人员钻井实效分析与成本预算管理，可对一口井施工过程（从预算、AFE、作业）进行成本和设计分析，评估整个钻井过程，提高决策分析速度钻完井数据查询及分析，为管理层总结、分析提供强有力的工具。煤层气排采数值模拟方面：面向对象价值体现决策人员为煤层气井产气、产水量预测提供计算工具，进而辅助分析产气时间，辅助决策降压周期，提高煤层气产量。为后期