工程地质学是以研究工程建筑的工程地质条件与工程地质预报原理及方法为工程建设服务的应用性学科^{[1, 2]}。在油气勘探开发领域, 通过研究地质体质量条件及环境条件, 分析、预测工程区域地层的分布规律、应力、岩石物性、三压力特性等工程地质参数及机理对工程施工中或施工后的影响及变化趋势, 并对地质稳定性、环境破坏性等风险超前提出改造或预防措施, 为钻完井、采油等工程设计与施工方案提供地质调查评价依据, 以保证工程施工正常进行以及后续稳定运行使用^{[1, 2, 3]}。

地质工程学是一门研究和解决与地质体有关的工程问题的工程学科, 是为解决实际工作中地质、设计与施工脱节问题而在工程地质学和岩体力学基础上发展起来的^{[1, 2]}。地质工程学以地质结构与地质背景涉及的工程问题为主要对象, 以地质学、地质力学、地球物理技术、信息处理技术等为手段, 以地质体为工程结构、以地质体为建筑材料、以地质环境为工程建筑环境, 通过现代工程施工技术改造或保护地质体, 为社会经济建设服务^{[1, 2, 3]}。

在实际应用中, 地质工程与工程地质互相促进发展, 尤其在信息化新时代, 更加深入融合一体化发展。

地质与工程的关系发展先后经历了四个时期:

(1)一体化时期。早期的油气勘探开发与油田技术服务是集中在一个部门统筹管理运行的。

(2)分立时期。体制变化促使勘探开发与技术服务分离, 大量的石油工程技术服务企业(以下简称为油服)成立, 油气勘探开发企业(以下简称为油企)专业从事油气勘探开发生产活动, 油服则提供单项或多项技术服务。

(3)战略联盟时期。市场激烈竞争和科学技术发展促使油服业务的范围、功能、方式发生了质的变化, 全面合作和战略联盟成了常态, 出现了EPC(工程总承包)总包和油服独立经营油气田区块^[4]。

(4)项目高度协同期。随着科技的发展, 尤其是信息技术的快速发展, 油企和油服都期望融合双方的优势技术, 在单项目中实现整体的提质增效, 为勘探开发和工程技术服务一体化项目高度协同带来了革命性的发展机遇^[5]。

随着能源需求与技术的发展, 页岩油、页岩气等非常规油气藏的勘探开发为世界能源供应格局带来了革命^[6], 要实现油气田勘探开发提质、降本、增效, 油气勘探开发地质工程一体化是必然选项^[7]。

随着油气技术和信息化技术的快速发展, 围绕油气勘探开发的多学科多专业交叉融合势在必行, 在信息化新时代背景下构建新型的地质与工程一体化运营模式是大势所趋。围绕地质问题创新工程技术, 借助工程技术创新地质研究, 加强信息快速共享互动, 提升整体运营效率和质量, 是目前油气行业的迫切期望。

信息技术为地质工程一体化的发展带来了新变革。信息时代背景下, 地质工程一体化的每一个流程、每一个环节, 都对信息技术提出了新需求。借助信息技术的快速处理及实时共享交互应用, 地质与工程实现了无缝融合和快速进步, 向数字化油气田、智能化钻完井作业新格局迈进^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}。在页岩气、页岩油、致密油、致密气等项目上, 油企与油服双方实施了井丛场或井组式的工厂化作业实践^{[18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}, 集地质研究、钻完井作业、一体化压裂为一体, 以信息服务平台为枢纽, 开展前期一体化方案制定、随钻一体化方案修订、完井一体化改造方案再修订、交井后总体方案再评价的循环勘探开发机制, 完成远程实时监控与支持、方案快速优化、前后方实时协同、全过程精益管理。为实现整体提速、提质、提效、提产, 油企与油服双方展开了充分的一体化合作, 持续探索、实践并构建新型地质工程一体化模式。

工程地质学通过认识地质体来进行超前预测预报, 地质工程学针对性地通过工程设计与施工来改造或保护地质体^{[2, 26]}。显而易见, 在新型地质工程一体化中, 地质是指以油气藏为中心的地质与油藏表征、地质建模、地质力学、油气藏工程评价等地质品质的综合研究, 不是学科意义上的地质; 工程是指在勘探开发过程中, 依据地质品质研究成果和技术评价, 研究确定钻完井品质, 对从建井到采油等一系列工程技术及解决方案进行针对性的筛选、优化, 指导作业施工^{[19, 28]}。近时期, 地质与工程都是最大化借助先进的自动化或智能化工具以及信息化技术来提升水平, 设计与施工充分与地质品质研究成果相结合, 追求卓越的钻井品质和完井品质, 向最大化协同作业模式迈进^{[17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}。

新型地质工程一体化是以提高勘探开发整体效益为中心, 充分借助信息技术, 以研究地质体(储集层)品质为基础进行工程设计与施工设计, 通过先进的施工技术和精益管理来提升钻井品质和完井品质, 实现勘探开发整体提速、提效、提质、提产的统一。

目前, 现场作业过程中, 90%以上的问题依旧是设计、施工与地质脱节以及工程地质工作成果不符合地质工程施工要求造成的。新型地质工程一体化是多部门、多学科、多专业技术一体化, 其追求的是全过程的最佳方案优化, 最佳解决工程与地质脱节问题, 如工程与地质设计一体化, “ 钻录定测” 地质导向一体化, LWD旋转导向钻井一体化等^[9]。

新型地质工程一体化涉及五项关键业务:地质研究、工程优化、精益管理、现场施工和信息服务。地质研究是基础, 工程优化是核心, 精益管理是关键, 现场施工是实现, 信息服务是枢纽。前四项业务不能割裂运行, 必须在一个信息服务平台下运行。工程优化是以地质研究为基础、以现场施工实际为依据展开的, 精益管理是以地质研究和工程优化为依据来实现的。信息服务是融合项目各方提升协同效率的最佳手段, 也是新型地质工程一体化的主要特征。

大量的文献调查与研究表明^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]}, 新型地质工程一体化必须解决三个关键问题。

(1)解决数据及处理平台标准不统一的问题。行业内本位主义信息系统众多, 标准不统一, 数据孤岛林立, 且数据体量越来越大, 数据质量恶化持续严重^[28]。行业迫切需要一体化信息处理与专业工具平台来穿透部门边界, 促进数据治理, 整合资源, 挖潜价值。

(2)解决技术管理与作业管理的低效问题。体制促使各方互相构筑技术壁垒, 阻碍整体效益优化提升。业内亟待完成一体化协同组织机构构建, 推进数据共享, 传承知识。

(3)解决决策者团队的片面认识问题。体制造就了“ 大甲方” “ 大钻井” 观念, 决策者及管理团队缺乏一体化理念和决心。业内期待以一体化示范项目为载体, 构建一体化共享与协同的健康生态环境, 实现整体效益提升。

目前, 油企与油服地质工程一体化理念逐渐统一, 均倡导用有限数据构建地质模型, 通过工程施工实践验证, 不断修正优化地质模型及参数, 获得真实的地质(储集层)参数。双方期望加快信息化技术的研究与应用, 在实践中通过地质与工程的交互验证优化(图1), 不断积累油气藏基础数据, 促进地质再认识, 不断修正和有效传承工程设计与施工技术, 高效建井^[29]。

图1

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	图1 地质工程一体化新理念图解

新型地质工程一体化平台以信息服务平台为枢纽, 以油气藏评价开发为中心, 通过有机融合地质研究、工程设计及现场施工作业, 实现前后方、甲乙方、多专业高效协同的高度信息化的生产运行环境(图2), 其主要构成包括信息服务、综合研究、项目工程作业、远程智能支持中心(RISC)、精益管理五个子平台。在该平台上, 不同地域、不同部门、不同专业的技术人员和管理者以及决策者, 共同致力于优化提升地质(储集层)品质与工程品质(钻井品质和完井品质)。

图2

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	图2 新型地质工程一体化平台构架

信息服务平台是服务并连接地质与工程前后方、多专业、多部门、甲乙方的枢纽, 其中包含现场数据平台、中心数据库平台、数据共享管理平台、中心数据应用平台四个子平台(图3)。平台借助大数据技术, 从现场数据库或既有数据库中实时抽取清洗出金数据, 形成统一的底层数据库, 进而再形成专业数据库和知识库, 集成各专业常用接口或软件工具, 为一体化人机交互、智能检索、高效共享共用构建快速通道。

图3

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	图3 新型地质工程一体化信息平台设计

综合研究平台是实现地质与工程数据集成应用的中心, 用以完成地质(储集层)品质、钻完井品质以及采油工程优化等研究。其集成诸多先进的专业工具软件, 如地震解释、地质建模、地应力分析、测井解释、地质导向、井网优化等, 挖掘数据价值, 优化勘探开发方案, 优化单项目地质设计和工程设计, 制定优选施工方案。

RISC(远程智能支持中心)平台是油气勘探开发远程实时作业中心(RTOC)的进阶版, 服务于建井施工作业全过程, 与前后方、甲乙方、多专业、多部门实时互动, 完成实时监控、分析决策、生产调度、应急指挥、远程支持等工作, 并进行随钻地层分析、压力检测、实时预警、施工优化、地质导向、油层保护、井身质量优化等研究, 最大化提升建井品质, 并为油气田地质工程研究和工程地质研究提供有价值的再评价数据。平台主要由现代化的数据处理、电子展示、媒体沟通及专业化技术人员和专家团队构成。

精益管理平台是指企业层面完成各个项目效益评价、制度落实、政策激励、资源调度、技术管理、生产管理、HSE管理、质量管理等工作的一个信息化运行管理平台。管理者或技术管理团队在平台上实现尽可能的扁平化管理, 及时掌控综合研究、RISC、项目作业等平台的运行信息, 分析现状, 正确决策, 进行有效资源配置和协调协商。

项目工程作业平台是指一个独立项目平台上集成所有现场业务的信息化施工作业平台。井场数据中心和井场一体化作业中心把现场钻井、定向井、录井等建井全生命周期业务有机统一起来, 与后方RISC、综合研究、精益管理互动, 开展实时压力评价、地质导向等工作, 不断优化井身质量, 为地质与工程再认识更新数据, 提升发现油气藏和保护油气藏的能力, 为完井措施提供最优化方案。

上述每个子平台都有项目或课题工作室和专家或个人工作室, 集信息技术、地质技术、工程技术、采油技术以及运营管理等各类专家, 对数据进行再评价, 发挥专家职能, 提升作业水平, 增强团队协同施工能力。

总结以往实践经验, 完善了新型地质工程一体化技术路线(图4), 其核心是地质综合研究。该路线借助信息服务平台, 开展井下地质非均质性和各向异性评价、钻完井工程优化和标准化等关键研究, 建立精细三维地质模型和三维地质力学模型, 并实时动态更新^[19]。首先, 利用既有资料开展目标区域地质(储集层)品质评价和各向异性地球物理评价, 获得目标层位储集层信息、轨迹经历层位地质信息和地球物理各向力学信息, 构建三维地质及地质力学模型, 为工程设计提供地质信息, 制定勘探开发方案和实施计划; 然后根据方案和实施计划, 选取具有控制性或风险性的平台, 开展先导性钻探和再评价, 更新地质和物性模型^[19], 评估地质工程风险, 以虚拟井技术优化批量开发井布井, 标准化钻完井设计与施工方案; 最后, 以标准化方案为基础布局平台开发井工厂化作业, 并针对风险或不确定性, 优选技术获取必要资料, 动态更新平台三维综合模型。

图4

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	图4 新型地质工程一体化技术路线参考模型

通过大量文献调查和实际调研^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]}, 运行新型地质工程地质一体化必须做好四项工作。一是组建具有一体化理念和意志的决策者团队, 只有理想信念一致的团队才能高效谋事、干事, 技术过硬的平台才能干成事; 二是建立高效的协同作业管理机制, 地质工程一体化是地质和工程的有机统一, 需要项目各方的高效协同; 三是构建多学科数据基础与工作平台, 以用促建, 布局大数据采集处理技术, 促进多学科基础数据库与知识库建设, 集成各类专业工具软件和专家, 打造一体化运行信息服务平台; 四是构建切实有效的考核激励机制, 仅依靠技术而不依靠管理治理是行不通的, 要建立起具有针对性的有效考核机制, 精益管理, 促进降本提质增效。

新型地质工程一体化在持续深入推进钻完井、油藏、采油和地面工程一体化融合的同时, 要拒绝“ 大而全” “ 响而空” 的形式主义。一方面油藏工程提前介入, 向后延伸到油藏和钻完井工程及地面工程, 钻完井要向前延伸到地震解释、油藏工程, 不断修正地质模型; 另一方面突破体制界限, 在竞争体制下追求市场化及多元企业协同。

地质工程一体化要针对不同油气藏、不同阶段、不同挑战制订出有针对性的项目方案。一要促进项目管理体制和机制创新, 降低各种“ 内耗” ^[29]; 二要切实加强前期规划、动态实施、阶段考核等工作; 三要建立和保持强有力的领导机制和高效决策体制, 双向互动, 高效协同; 四是深入推进项目一体化精细管理, 实现关键环节最佳把控。