油气勘探开发中的工程地质力学问题及研究方法

工程地质力学研究在复杂油气藏勘探开发及地质-工程一体化中的作用日趋重要,但目前还有诸多问题需要探索,其中最为核心的是地层岩石的地质演变与力学研究结合尚不够紧密。以岩石力学性质随地质演变为内在联系,综合沉积相、成岩作用、构造演化及工程影响,将地质和工程因素更为紧密地结合到工程地质力学研究中。所形成的新方法强调在区域三维地质构造建模的基础上,根据不同岩类的地质演变特征实现区域—井区—单井跨尺度岩石力学参数赋值。在建立区域岩石力学相后,结合井工程的干扰机制,逆向修正参数场,从而优化和调整井工程设计,提高区域地质认识和地质信息预测的准确性,可为地应力评价、裂缝展布预测、孔隙压力系统分析、产能评价等提供科学研究手段。

页岩气井地质工程套管变形类型及影响因素研究进展

通过调研国内外大量页岩气井套管变形方面的文献,总结了页岩气井套管变形的类型,探讨了深、浅层页岩气套管变形影响因素差异及面临的问题,并提出了针对性的防治措施及下一步主要研究方向。研究结果表明:(1)页岩气井套管变形类型主要包括挤压缩径变形和剪切变形,深层页岩气井出现套管变形的概率较中浅层更大,主要为剪切变形。(2)造成套管变形的工程因素包括井筒降温、固井质量、套管疲劳、套管质量以及井眼狗腿度等,地质因素包括岩石力学特性、非均匀地应力以及天然裂缝/断层滑移等;深层页岩气井套管变形主要受天然裂缝/断层滑移的影响。(3)页岩气井套管变形风险防治措施包括控制井筒温度及注入强度,采用水泥环力学性能参数较低的水泥进行固井作业,适当减小套管外径、增大壁厚、提升钢级等提高套管质量,以及尽量让井轨迹平滑等;对深层页岩气井可通过将井眼水平段延伸方向与岩层层理方向设计为一致,掌握裂缝分布情况、尽量避开高风险剪切滑移层段,对不同级别滑移风险层段合理降低压裂规模、调整井筒方位等措施来降低套管剪切变形的风险。(4)页岩气井套管变形防治研究方向主要包括优选岩石力学特性好的压裂层段、最优井轨迹与地应力的关系分析、裂缝识别与评价、断层滑移量与套变量计算等方面。

基于模糊评判决策的天然气驱油藏开发效果评价

注天然气提高采收率有着良好的应用前景,但目前针对天然气驱油藏缺乏相对应的开发效果评价指标体系及标准,无法对开发效果进行正确、客观、科学的评价。根据油田开发行业标准、水驱和CO_(2)混相驱开发效果评价指标体系,筛选出了评价天然气驱油藏开发效果的10项评价指标:采收率提高幅度、换油率、增产倍比、储量动用程度、储量控制程度、压力保持水平、存气率、气油比增长倍数、阶段注采比及注气时机。结合W天然气驱油藏的地质特征、生产动态以及注气开发特点,建立了天然气驱开发效果评价指标体系及评价标准。应用层次分析法、模糊变换原理和最大隶属度原则建立了基于模糊综合评判决策的天然气驱油藏开发效果评价方法,将传统的单指标、定性开发效果评价转化为多因素、定量的开发效果评价。应用实例表明,该天然气驱开发效果评价指标体系及评价方法具有可行性和有效性,对同类型天然气驱油藏开发效果的评价具有一定的指导意义。

可解释机器学习在油气领域人工智能中的研究进展与应用展望

人工智能作为战略性新兴产业及新质生产力正迅速地渗透入油气领域,并有望成为行业发展的新引擎和制高点。“黑盒”的机器学习模型缺乏透明度和可解释性,导致现有机器学习方法在油气领域的认可度和信任度不高,制约了以机器学习为核心的人工智能在油气田中的融合和发展。为此,系统介绍了可解释机器学习方法在油气田勘探开发过程的研究现状,阐述了机器学习模型的可解释性是促进油气领域人工智能大规模应用的关键,以及事后可解释方法在油气机器学习方法上的局限性,并对技术的应用进行了展望。研究结果表明:(1)利用Shapley加性解释(SHAP)和模型无关局部解释(LIME)等事后可解释方法进行煤层气产能主控因素实例验证,指出了可解释的油气田特征指标还不足以完全指导可解释模型的构建和分析,需要基于本质可解释思路建立符合油气田勘探开发自身特点的本质可解释机器学习方法;(2)利用机理模型、因果推断和反事实解释等本质可解释方法,分析油气田数据和模型参数之间的因果关系,构建了本质可解释机器学习方法;(3)选取典型煤层气压裂数据进行产能预测实例验证,发现因果推断能有效挖掘地质参数、施工参数和产能之间的本质关系,且基于因果关系建立的机器学习模型可以实现预测泛化性能提升。结论认为,基于事后可解释和本质可解释机器学习方法不仅是未来油气领域人工智能发展的必然趋势,而且是解决人工智能在油气领域现场落地的“瓶颈”问题及关键技术。

基于深度学习模型的油气管道焊缝缺陷智能识别

焊接技术在油气管道连接时广泛应用,确保焊缝区域可靠是保障油气管道安全运行的关键。受工艺和技术制约,油气管道焊接过程中可能出现不同类型的焊缝缺陷。针对油气管道焊缝部分缺陷尺寸小、缺陷与背景差异性较小导致焊缝缺陷识别效果不理想、人工识别工作量大等问题,提出了基于SCT-ResNet50模型的管道焊缝缺陷智能识别新方法。首先将焊缝区域图像输入特征提取网络;然后在特征提取的浅层使用SCC(Spatial Channel Context)进行局部空间和通道信息融合,在特征提取较深的层次使用ECA-MHSA(Efficient Channel Attention-Multi-Head Self-Attention)来捕捉长程依赖和上下文信息;最后通过全连接层和Softmax得到最终的缺陷识别结果。研究结果表明:(1)该新方法在油气管道X射线图像焊缝缺陷数据集上缺陷识别准确率达到98.28%;(2)相较于ResNet50、VGG16、DenseNet121、MobileNetv3和EfficientNetv2分类方法,其准确率分别提高了3.05%、46.05%、28.99%、15.95%和18.84%;(3)在缺陷尺寸小、缺陷和背景差异较小的场景下,该新方法在油气管道焊缝缺陷识别中具有更高的准确率。结论认为,该新方法的优势在于结合SCC模块与ECA-MHSA模块学习图像的局部信息和全局信息,能较好解决油气管道焊缝缺陷分类效果不理想的问题,为保障油气管道安全运输提供了技术支撑。

超临界CO_(2)压裂物理模拟实验研究进展

超临界CO_(2)(SC-CO_(2))压裂技术是一种极具潜力的新兴非常规油气储层增产技术,该技术不仅可有效避免传统水力压裂引发的地层损害、环境污染、水资源浪费等问题,还具有起裂压力低、成缝复杂等优势。SC-CO_(2)压裂实验是在室内开展SC-CO_(2)压裂工艺研究、压裂增产机理认识和总结的重要技术手段。综述SC-CO_(2)压裂实验研究进展,以指导SC-CO_(2)压裂技术的发展。首先,介绍室内SC-CO_(2)压裂实验系统的组成及功能,针对实验装置存在的不足提出建议。然后,归纳分析SC-CO_(2)压裂实验研究成果,认为SC-CO_(2)渗透性强,因此相较于水力压裂其起裂压力低,同时SC-CO_(2)能够沟通岩石内部的微裂缝和微孔隙,促进复杂裂缝网络的形成。最后,总结各项实验研究所得的裂缝内SC-CO_(2)携支撑剂运移规律。研究表明,SC-CO_(2)携支撑剂的运移规律与水基压裂液相似,但运移效果稍差之。目前,需加强SC-CO_(2)携支撑剂运移室内实验研究,以进一步优化SC-CO_(2)压裂的工艺参数。

非常规油气井压裂过程中水泥环完整性实验评价

非常规油气井大规模压裂使水泥环处于极端服役环境,极易导致水泥环屏障失效,而避免水泥屏障失效的关键在于弄清压裂诱导的交变压力下水泥环完整性失效机理。因此,采用自主研发的实验装置模拟井筒环境开展了全尺寸“生产套管普通(高强度)水泥环技术套管”两种组合体在交变压力下的密封性能和界面力学性能测试及评价,利用密封失效循环次数和界面胶结强度分别表征了水泥环密封性能和界面力学性能,获取了普通水泥环在4种交变压力(0↗30↘0,0↗50↘0,0↗60↘0和0↗70↘0 MPa)、高强度水泥环在5种交变压力(0↗30↘0,0↗50↘0,0↗60↘0,0↗70↘0和0↗80↘0 MPa)下的完整性实验结果,分析了交变压力峰值及循环次数对水泥环完整性的影响规律,揭示了水泥环完整性在交变压力作用下的失效机理及过程,明确了水泥环密封性能和界面力学性能之间的相关性,发现了高强度水泥环耐交变压力的密封/抗窜能力及界面力学性能均明显优于普通水泥环。研究成果可为非常规油气井水泥浆体系的优选及压裂施工参数的优化提供重要依据。

陆相页岩储层地质力学特性及对压裂效果的影响

根据储层测井资料以及压后试油资料,分析了准噶尔盆地玛瑚凹陷风城组陆相页岩储层的地质力学特性,研究了地质力学参数对陆相页岩储层压裂效果的影响,并对陆相页岩储层可压裂性进行了评价。研究结果表明,风城组页岩油储层岩石力学参数与声波、体积密度间存在良好相关性,以此为基础,建立了储层岩石力学参数的测井计算模型;基于已钻井压裂、测井资料,建立了研究区陆相页岩储层地层压力、地应力计算模型;利用灰色关联法明确了储层影响压裂效果的地质力学主控因素(弹性模量、水平应力差、最小水平主应力、抗张强度以及单轴抗压强度);利用层次分析法构建了研究区陆相页岩储层可压裂性评价指标,地质力学主控因素的权重系数依次为0.3696、0.2440、0.2090、0.1093及0.0681。

泡沫排水采气井筒流动规律实验研究

泡沫排水采气工艺因成本低、施工简单及收效快在国内外各大气田广泛应用,在众多排水采气工艺中扮演主力军作用。准确揭示泡沫排水井井筒压降规律及携液规律对于优化泡沫排水工艺技术参数、提高泡沫排水采气工艺技术水平具有重要意义。搭建了高8 m、内径30 mm可视化实验装置,通过垂直管流实验对比了起泡剂对气液两相流型特征及流型转化条件的影响,揭示了其内在机理;测试了起泡剂浓度、气相表观流速、液相表观流速和倾角对气液两相压降、持液率和临界携液气相流速的影响规律。实验表明,加入起泡剂后:1)降低了段塞流向搅动流、搅动流向环状流转变的气相表观流速,使段塞流和搅动流的气相流速区间变窄。2)段塞流和搅动流的压力梯度显著降低,环状流压力梯度显著增加。3)段塞流和环状流气液间的滑脱减弱,持液率降低。4)连续临界携液气相流速急剧降低,在50°左右的倾斜管段效果尤为明显,最大降幅超过40%。

川北典型陆相页岩-砂岩油气潜力表征与评价

四川盆地北部中侏罗统千佛崖组陆相地层颇具油气资源潜力,亟待实现突破。在岩芯描述,沉积微相分析和储集体识别基础上,解析了研究区千佛崖组典型陆相页岩-砂岩储集体纵横向叠合类型和平面组合类型,发现了多层致密砂岩油(气)藏、上页下砂油(气)藏、砂页互层油(气)藏、页包砂油(气)藏和孤立油(气)藏等5类油气混合储集类型,分层段、分类型评价了研究区各个层段发现的44个油气藏,从中优选出A、B和C等3个典型陆相页岩砂岩油气混合储集有利区。上述成果有利于中国陆相页岩油气成储理论的深入发展。

四川盆地南部向斜区二叠系岩溶孔隙型石灰岩储层成因与天然气勘探新领域

随着油气勘探程度不断提高,勘探方向逐渐从构造高部位往向斜区拓展。但是,传统认识认为向斜区岩性一般较致密,寻找向斜区优质储层成为其油气获得勘探突破的关键因素之一。为此,以四川盆地南部向斜区中二叠统茅口组石灰岩为例,基于钻井岩心、薄片、测井以及地球化学等资料综合分析,开展了向斜区孔隙型石灰岩储层特征及成因研究,并建立了储层发育模式,指出了天然气勘探新方向。研究结果表明:(1)四川盆地南部向斜区茅口组发育岩溶孔隙型碳酸盐岩储层,储层岩性主要为泥晶—亮晶生屑石灰岩和亮晶生屑石灰岩,储集空间主要为生物体腔孔、生物铸模孔及粒内溶孔等组构选择性溶蚀形成的孔隙;(2)研究区茅口组储层平均孔隙度为4.07%,平均渗透率为0.273 mD,孔隙度与渗透率有明显的正相关关系,为典型的孔隙型储层;(3)茅口组储层段的铝、钪、锆及总稀土元素含量较低,锰和铁含量也较低,碳同位素值位于中二叠世海水沉淀方解石碳同位素值分布范围内,氧同位素呈现出一定的负偏;(4)茅口组岩溶孔隙型储层的形成与沉积期微地貌及高频层序控制的准同生期岩溶有关,溶蚀流体主要为大气淡水。结论认为,岩溶孔隙型储层在盆地内普遍发育,且该类储层远离不整合面,受沉积古地貌、沉积相带控制的准同生期岩溶改造,因此,天然气勘探思路需要向“有利沉积相带规模控储”方向转变,向斜区将是盆地内未来天然气勘探的重要新领域。

高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

“双碳”目标下天然气分布式能源发展现状及机遇

为实现碳达峰碳中和(以下简称“双碳”)目标,必须建设清洁低碳、安全高效的新型能源体系。天然气分布式能源具有相对清洁高效、综合能源利用效率高、输出能源类型多等优点,是我国实现“双碳”目标的重要发展路径之一。为此,剖析了我国天然气分布式能源存在的问题和发展机遇,进而对天然气分布式能源项目的发展提出了建议。研究结果表明:(1)中国天然气分布式能源整体发展相对较慢,且不同地区之间发展速度也存在差异,现有项目主要集中在经济较发达的京津冀鲁、长三角、珠三角以及天然气资源丰富的川渝等地区;(2)中国天然气分布式能源发展面临的主要问题包括前期投入成本较高、电网企业与项目用户端存在利益冲突使得项目上网困难、项目用户端对能源消纳程度的不确定性影响其投资回报等;(3)随着政策普及、技术发展、碳交易市场完善及经济性的提高,天然气分布式能源项目发展有望进入快速发展期。结论认为,在“双碳”目标引领下,中国天然气分布式能源产业正处于重要的战略机遇期,建议从政策支持、调峰需求、碳排放收益以及技术突破4个方面加强研究;天然气分布式能源的高质量推进对我国构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系,助力实现“双碳”目标具有重要的现实意义。

页岩储层应力敏感性的时间效应

有效应力及其作用时间是控制岩石孔隙和裂缝变形的重要外部因素。页岩储层的多尺度孔隙结构特征及孔缝配置关系使得其应力敏感时间效应具有特殊性,然而,以往研究尚未考虑有效应力加载及卸载时间对页岩应力敏感行为的影响。以川南威荣气田龙马溪组页岩气藏为研究对象,钻取不同孔缝发育程度的页岩样品,设计并测试了变有效应力状态下变加载及卸载持续稳定时间对岩样渗透率的影响实验。结果表明:1)有效应力从5 MPa升至35 MPa时,微裂缝岩样和基块岩样渗透率分别降低了66.82%和27.19%,卸载过程中渗透率恢复率为74.73%和79.82%。页岩渗透率越低,有效应力滞后效应越显著;2)恒定有效应力加载持续稳定时间从2.5 h延长至10.0 h,应力敏感系数增加3.76%∼80.17%,且当有效应力较小时的时间效应更显著。研究认为,页岩组分及多尺度孔缝结构是导致其孔缝变形行为差异性的主因。基于实验研究结果,推荐页岩样品老化处理为6.0 h,提出了优化页岩储层敏感性评价实验方案和优化气井工作制度的建议。

赋能纳米碳提高原油采收率研究进展

赋能纳米碳由于高横纵比和两亲化结构,体现出表面活性剂、分子薄膜、胶体、液晶分子和聚合物的多面特性,在纳米化学提高原油采收率领域独具优势和应用潜力。调研总结了一维碳纳米管、二维石墨烯等纳米碳结构和性质的共性与特性,全面归纳了纳米碳的起源、制备方法与赋能路径;提出了油藏高温、高矿化度条件纳米碳的精细调控赋能策略,剖析了赋能纳米碳在水-油和水-岩石界面吸附和组装机制,多维度精细表征手段及信息化物理模拟方法。以水驱油藏波及系数和波及区内驱油效率均低的普遍性问题为导向,基于纳米的分子—粒子跨尺度特征和水-油-岩界面效应提炼了赋能纳米碳大幅扩大波及系数和提高驱油效率的协同耦合机制。最后,提出了赋能纳米碳提高原油采收率规模应用存在的问题和低碳、高效的发展路径。

深层地热井考虑水泥环损伤的套管预热应力设计

深层地热资源相较于传统地热资源具有更大的开发潜力,但由于深层地热井井底温度更高,在开发开采中高温流体使套管受热膨胀,易引起套管屈服变形损坏。而目前对于深层地热井套管安全问题在理论研究和技术实践上均面临着诸多挑战。为此,根据厚壁圆筒理论和热弹性力学基本理论,利用对套管预先施加热应力降低套管的轴向热应力,考虑高温水泥石损伤后地层-水泥环-套管的接触问题,并以套管有效应力控制在相应温度下的最小屈服极限内为原则,根据套管柱强度设计安全系数,评价套管安全性能,建立深层地热井套管预热应力设计方法,缓解高温对套管热损伤的问题。结果表明,水泥浆的密度对损伤因子影响不大,水泥环的弹性模量对损伤因子起主导作用。在预热情况下,注水条件下(注水温度为65℃)在预热250℃以下能够满足设计条件,在地热生产条件下(地热温度为346℃),需要超过200℃才能够满足安全设计要求。

融合物理约束的压裂水平井产能智能预测框架构建与应用

水平井分段压裂是实现非常规油气藏有效开发的关键技术,准确预测压裂水平井产能对于井位优选和压裂参数优化至关重要。随着历史开发数据的不断积累和人工智能技术的迅速发展,数据驱动的人工智能方法为压裂水平井产能预测提供了新的渠道。为此,从压裂水平井生产物理过程出发,分析了产能智能预测的物理约束,提出了与物理过程相匹配的产能智能预测框架,并结合四川盆地南部(以下简称川南)地区页岩气开发生产数据开展了实例验证。研究结果表明:(1)压裂水平井产能智能预测需要以压裂段为单位进行特征融合处理,单井产能是由初始压裂段到末尾压裂段依次累计作用的结果,各压裂段之间存在顺序关系,各单井的因素输入维度存在差异;(2)采用循环神经网络能够完全匹配压裂段之间的顺序关系和汇聚作用,而Mask屏蔽机制则能够解决各单井压裂段数量不统一的矛盾。结论认为:(1)该智能预测模型能够学习各单井输入序列与产能之间的复杂映射关系,训练集相对误差为0.098、测试集相对误差为0.117,较循环神经网络(RNN)模型误差的下降幅度分别为37.6%和37.0%,较多层感知机(MLP)模型误差的下降幅度分别为77.3%和77.4%,展现出优异的预测性能;(2)该研究成果能够为非常规油气藏压裂水平井产能预测的技术进步和快速发展提供新的思路与借鉴。

物理—数据协同驱动的页岩气井产量预测方法

由于页岩气渗流机理复杂,赋存方式多样,压裂后对裂缝网络的精确识别和表征存在较大困难,现有方法难以准确预测页岩气井产量。为此,提出了机理—数据融合建模的思路,结合连续拟稳态假设、物质平衡方程、产量递减分析方法和递推原理,建立了物理—数据协同驱动的产量预测方法,进而以中国某区块页岩气井现场生产数据为例,对该方法的准确性、可靠性进行了测试,并与经验产量递减分析和时间序列分析方法进行了对比分析。研究结果表明:(1)建立的产能模型采用拟压力代替压力,采用物质平衡拟时间代替时间,弱化了产量、流压和甲烷物性变化带来的影响;(2)以累计产量误差最小为目标开展历史拟合,弱化了生产制度变化带来的影响,使得建立的产能模型能够自动适应流压—产量变化;(3)应用该方法的关键在于采气指数—物质平衡拟时间双对数图中的特征直线,若图中出现特征直线,则可以开展产量预测,反之,则不能预测。结论认为:(1)建立的产量预测方法将不稳定流动问题转化为拟稳态流动问题求解,简化了对储层非均质性的描述,避开了裂缝网络精确识别和定量表征的难题,计算效率高,可解释性强;(2)生产数据测试结果表明该产量预测方法精度高,长期预测结果稳定,并优于Logistic Growth Model、Duong和StretchedExponential Production Decline经验产量递减分析方法,也优于非线性自回归神经网络、长短记忆神经网络时间序列分析方法。

克拉美丽火山岩凝析气藏产水规律及产水模式

克拉美丽火山岩凝析气藏资源丰富,但由于储层岩相多变,裂缝发育,边底水活跃,导致气井在开发过程中产水普遍。准确识别气井水侵规律、产水特征及产水模式,对于气藏新区开发及老区调整具有重要的参考价值。通过对克拉美丽典型气藏地质及开发资料进行综合分析,结果表明,常规的适用于裂缝型产水气藏水侵识别方法存在一定局限性,结合数值模拟技术更有利于认清产水规律;气藏水侵及产水特征曲线显示主要产水来源为边底水,严重影响气井产能;数值模拟研究结果将气井产水模式分为5类,通过统计分析将研究区典型气藏98口气井实际产水曲线定性划分为5类,得到模拟曲线与实际生产曲线分类结果基本吻合。基于数值模拟的产水模式划分结果可靠程度高,该研究结果为火山岩凝析气藏气井的部署开发与实时调控提供借鉴。

基于随机森林和长短期记忆网络模型的高压气井环空带压预测方法

高压气井在生产过程中持续的环空带压容易引起套管柱变形或挤毁,是高压气井完整性失效的主要原因之一。为解决传统方法环空带压预测精度不高的问题,以鄂尔多斯盆地苏里格气田某高压气井为例,首先利用主成分分析法和相关系数法找到影响环空带压的主要因素,然后使用高压气井井筒温压场理论值和孤立森林模型对主成分进行物理解释和数据清洗,再对清洗后的数据使用随机森林(RF)和长短期记忆网络(LSTM)模型建立了环空带压定量预测模型,并对两类模型进行权重组合,最终建立了精确度高于任意单一模型的RF—LSTM组合环空带压预测新模型。研究结果表明:(1)环空带压的主要影响因子有温度分量、压力分量、产量分量、腐蚀程度、生产状态,而温度分量与环空带压间存在最高关联性;(2)通过错误格式、离群点及基于井筒温压场的数据清洗,可以得到数据清洗后的环空带压影响因素训练集;(3)通过平均绝对误差法(MAE)能够建立误差分数小于任意单一模型,而拟合优度介于两者之间的组合模型,因此可以将具有高拟合优度和低误差分数的两类模型结合,从而组合出同时满足两种分数的组合模型。结论认为:(1)运用大数据挖掘技术及算法进行环空带压定量预测,方法新颖,预测精度高,结果可行;(2)该方法为现场环空带压预测和风险管控提供了决策工具参考,为实现环空带压风险实时预测、预警和管控提供了理论支撑。