非常規致密儲層壓裂縫網數字孿生構建理論與方法
中文題目：非常規致密儲層壓裂縫網數字孿生構建理論與方法
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/會議：世界石油工業 (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/見刊時間：2024-10-23
作者列表：
1） 陸吉 中國石油大學（北京）石油工程學院 博 21
2） 林伯韜 中國石油大學（北京）人工智能學院 智能科學與技術系教授
3） 朱海濤 中國石油大學（北京）人工智能學院 博 21
4） 金衍 中國石油大學（北京）石油工程學院 油氣井工程系教授
5） 孟翰 中國石油大學（北京）人工智能學院 智能科學與技術系教授
文章簡介:
本文系統梳理了數字孿生的基本概念及壓裂縫網表征的研究現狀，提出了壓裂縫網數字孿生的五維模型及系統架構，并研究相應的孿生模型構建方法，重點分析了壓裂縫網數字孿生應用于支撐劑運移及油氣井產能預測的場景，為實現致密儲層水力壓裂縫網數字化及智能化表征提供理論與技術支撐。
摘要:
水平井分段壓裂技術及大規模體積改造技術的提升，使非常規油氣勘探開發獲得重大突破和快速發展。致密油氣藏成為繼頁巖氣之后全球非常規油氣勘探開發的新熱點。隨著水力壓裂技術在致密儲層開發中的推廣應用，壓裂縫網精細化表征成為水力壓裂數字化、智能化發展建設的關鍵問題，對壓裂效果評價及壓裂施工優化具有重要的意義。由于致密儲層天然裂縫發育、非均質性強，壓裂后復雜的縫網形態給縫網表征帶來極大挑戰。基于高精度數據采集、實時數據傳輸、虛擬實體建模與分析、機理數據融合仿真與決策的數字孿生技術，為壓裂縫網表征提供了新思路。① 介紹數字孿生的基本概念及壓裂縫網表征的研究現狀，并提出壓裂縫網數字孿生的五維模型及系統架構；② 將壓裂縫網數字孿生的虛擬實體歸納為儲層的地質力學模型和壓裂縫網模型，研究相應的孿生模型構建方法；③ 分析壓裂縫網數字孿生應用于支撐劑運移及油氣井產能預測的場景。在此基礎上，探討壓裂縫網數字孿生亟待發展的關鍵技術并提出相關建議，旨在為致密儲層水力壓裂縫網的數字化及智能化表征與控制提供理論與方法指導。
背景與動機:
隨著全球能源需求和油氣生產壓力的日益增長，致密油氣藏已成為繼頁巖氣之后全球非常規油氣勘探開發的新熱點。致密儲層具有孔隙度小、滲透率低等特點，勘探開發難度大。為實現油氣資源的高效開采，分段多簇壓裂技術及拉鏈式壓裂技術被廣泛應用于水平井增產作業中。然而，目前縫網刻畫手段存在機理模型復雜、實時表征困難等問題。因此，基于數字孿生建模理論，探討致密儲層壓裂縫網數字孿生模型的構建方法，以實現壓裂縫網動態表征。
設計與實現:
文章結合現有數字孿生模型構建理論，考慮影響水力壓裂裂縫擴展的地質工程因素，綜合分析水力壓裂監測方法的特點，構建了適用于壓裂縫網表征的數字孿生模型，包括壓裂縫網物理實體、壓裂縫網虛擬實體、數字孿生數據、數字孿生服務及連接交互5個維度。在此基礎上，構建了數字孿生系統層次架構，逐層分析數字孿生模型結構與功能，并結合水力壓裂現場案例驗證數字孿生模型的可行性與實效性。
主要內容:
文章首先闡明了構建壓裂縫網數字孿生的重要背景，概述了目前壓裂縫網表征方法的特點與局限，具體見表1。
表1 基于監測數據的裂縫重構方法
目前壓裂縫網表征方法存在諸多局限，亟需建立壓裂縫網數字孿生模型，通過機理與數據雙驅動的人工智能方法，融合儲層地質信息、壓裂力學機理認識、壓裂施工參數和裂縫反演結果，實現水力壓裂同步監測、診斷、呈現與優化。因此，文章考慮影響水力壓裂裂縫擴展的地質工程因素，綜合分析水力壓裂監測方法的特點，構建了適用于壓裂縫網表征的數字孿生模型，包括壓裂縫網物理實體、壓裂縫網虛擬實體、數字孿生數據、數字孿生服務及連接交互5個維度，其結構示意如圖1所示。
圖1 壓裂縫網數字孿生五維模型
在此基礎上，文章構建了數字孿生系統層次架構，自上而下包括物理層、數據層、模型層、功能層和應用層（見圖2）。基于壓裂縫網數字孿生系統架構，完成逐層技術開發，實現壓裂縫網全生命周期監測、控制、優化、決策的最終目標。
圖2 壓裂縫網數字孿生系統層次架構圖
為驗證壓裂縫網數字孿生的應用效果，以四川盆地龍馬溪組頁巖氣區塊內某水平井為研究對象，從物理、數據、模型、功能4個層面，針對該水平井的3個現場服務需求，提出一套壓裂縫網數字孿生數據流時序圖（見圖3）。基于此，實現了該水平井第1段裂縫監測、支撐劑運移模擬及分段產能預測（見圖4）。現場應用表明，通過壓裂縫網數字孿生技術，可實現水力壓裂的監測、評價及反饋優化，并形成一整套壓裂縫網的動態表征方法。
圖3 壓裂縫網數字孿生架構各層間的數據流時序圖
圖4 裂縫監測、支撐劑運移模擬及產能預測結果
技術分析與前沿展望
當前壓裂縫網數字孿生技術雖能通過機理-數據雙驅動模型實現物理仿真，但仍面臨井下數據采集信噪比低、三維裂縫擴展理論不完善、多尺度模型融合困難及計算效率不足等挑戰，難以滿足實時同步演化的需求。為此，應重點突破高精度光纖傳感與數據傳輸技術，發展多尺度多物理場耦合的模型融合方法，強化云計算與邊緣計算協同的算力支撐，同時加強機理與數據模型的遷移學習能力，推動數字孿生從"靜態仿真"向"動態演化"升級，最終實現壓裂全過程智能診斷與自主決策。
結論:
（1）壓裂縫網數字孿生涵蓋水力壓裂過程中從井筒到地層的壓裂施工、裂縫擴展、流體及支撐劑運移等環節，通過壓裂縫網物理實體與虛擬實體之間的實時信息交互和雙向映射，實現壓裂縫網實體全生命周期的監測、控制、優化、決策。
（2）高保真的虛擬實體是壓裂縫網數字孿生的基礎。目前，通過裂縫監測重構技術，可以快速構建壓裂縫網的幾何模型，但模型構建缺少力學機理的約束，需要緊密結合地質勘探成果、巖石力學實驗結果等，構建機理與數據的融合模型，提高縫網表征的精度及可解釋性。
（3）加強壓裂監測設備研發，實現地面設備及井下工具、裂縫實時數據的高精度采集和快速傳輸，提高數字孿生模型構建效率，最終實現壓裂縫網物理實體和虛擬實體之間的虛實同步、互聯演化。
作者簡介:
林伯韜，男，博士，中國石油大學（北京）人工智能學院教授、博導，主要從事智能石油工程、工業數字孿生、油氣領域大模型等教學與科研工作。