地质工程一体化是实现超深致密复杂油气藏高效开发的重要手段。近年来，美国先进的石油公司与研究机构通过地质工程多学科一体化集成攻关，突破了长段水平井和多级压裂等关键技术，钻井成本大幅降低，单井产量大幅增加，实现了低品质非常规油气资源的效益开发^[1-7]。Eclipse公司通过地质、钻头和钻井液一体化设计服务，与推广旋转导向和地质导向技术相结合，显著提升了页岩水平井钻井速度及效率，如Purple Hayes井井深为8244 m，钻井周期为17.6天，压裂124段，用时23.5天，钻完井预算由1580万美元降至854万美元，压后日产气达14.2×10⁴m³，日产凝析油达191 m³。与国外相似，目前中国也进入了非常规复杂油气藏勘探开发实践阶段，地质工程一体化思路的提出，为低品位资源的效益开发提供了契机。四川盆地海相页岩气通过多轮实践，实现了单井产量提升、作业成本控制的目标。鄂尔多斯盆地低—特低渗透油藏采用“超大平台”布井方式，在提高水平井单井产量方面也取得了一定的效果。

库车前陆盆地克拉苏构造带天然气资源丰富，是塔里木盆地天然气增储上产的主战场。然而克拉苏构造带地质工程条件极为复杂，强烈的造山运动形成浅层高陡构造和深层大量冲断叠瓦构造，呈现出“一深（垂深7000~8000 m）、三高（高温130~190℃、高压116~136 MPa、高地应力130~180 MPa）、两低（孔隙度4%~8%、渗透率0.01~0.1 mD）、两厚（巨厚砾石层5500 m、巨厚盐膏层4500 m）、一陡（地层倾角87°）”的特征^[8-10]。复杂的地质条件导致油气藏勘探开发过程中面临着勘探发现慢、效益开发难、安全风险大等严峻考验。为了实现克拉苏构造带超深复杂油气藏的勘探突破和效益开发，本文坚持“逆向思维、反向设计、正向施工”的理念，即基于地质目的和产量目标，倒推完井改造方案和钻井方案，并结合全生命周期的井完整性的要求，不断优化方案设计，实现单井效益最大化，如此形成研究与实践一体化的良性闭环，从而为克拉苏构造带的提速、提产、提质工作奠定了有利基础。

1 塔里木地质工程一体化认识与发展 1.1 地质工程一体化定义及新内涵

国际上对地质工程一体化的普遍认识是围绕提高平均单井产能这个关键问题，以三维模型为核心，以地质—储层综合研究为基础，在油气藏勘探开发的不同阶段，针对遇到的关键性挑战，开展具有前瞻性、针对性、预测性、指导性、实效性和时效性的动态研究和及时应用^[11]。

塔里木盆地是中国油气资源最为富集的大型盆地之一，但库车山前等地区油气埋藏深、高陡构造及巨厚砾石层发育等复杂地质条件，使得钻完井工程技术面临严峻挑战，因此，相应的地质工程一体化也被赋予了适合塔里木油田的具体理念。即地质工程一体化是实现非常规油气资源效益开发的技术攻关和管理方法，它以“效益、安全”为目标，以“多部门、多学科”协同工作为抓手，以“提速、提产、提质”为落脚点，综合“地质品质、钻井品质、完井品质”的品质三角型（图 1），开展全生命周期地质工程一体化研究与实践，从而实现效益、产量和安全的最终目标。

1.2 塔里木地质工程一体化组织模式

为了实现地质工程一体化的高效组织和实施，塔里木油田公司创新形成了“LTTDW”的地质工程一体化组织模式，其中包括5个基本要素，分别为决策者（Leader）、团队（Team）、软件平台（Tool）、数据库系统（Data）、工作流程（Workflow）。

（1）决策者（Leader）。组织管理保障是地质工程一体化决定性因素和必要条件，塔里木油田公司成立以油田领导为核心的高效决策层，围绕“效益开发”目标，实现在油田层面统一决策部署，保障地质和工程的高效协调、协同。

（2）团队（Team）。按照“地质与工程、科研与生产、甲方与乙方”一体化思路，多方组建研究团队和工程施工作业团队，提高协同攻关质量和效率。优化多学科技术研发人员、科研与生产人员结构；通过定期召开勘探生产例会，打破部门/单位壁垒和学科界限；充分利用市场合作机制建立与国内外优势技术力量的合作。

（3）软件平台（Tool）。基于Landmark、GMI、PETREL等大型软件，搭建地质工程、钻井工程、完井改造三大科学高效的集成化软件工作平台，为钻井、完井、改造一体化生产提供强有力的分析手段。

（4）数据库系统（Data）。为了更好地发挥一体化软件工作平台的作用，塔里木油田公司自建26个勘探开发数据库系统，并通过资源整合，建立信息系统集成门户，突破信息“壁垒”，实现数据共享，提高数据使用效率，为技术团队实施一体化攻关研究工作提供坚实的基础保障。

（5）工作流程（Workflow）。以提高产量为目标，在地质认识、甜点预测、井位部署、井身结构设计、钻井、完井、改造到开发生产的全生命周期中，从提速、提产、提质三方面制定针对性措施，保证地质工程一体化各阶段技术可行、安全可控、经济有效。

2 克拉苏超深复杂气田实践做法 2.1 提速 2.1.1 井身结构设计

一体化的超深复杂井井身结构设计是建立在构造模型、速度研究、井震反演相结合的三维压力场预测方法和区块三维速度模型基础上，再结合单井压力剖面分析、实测压力数据分析完成。在不同的岩性段，需要根据地层特征确定必封点及套管层次。如对于一套盐层，盐顶埋藏深、盐层薄时，三压力剖面如图 2所示，需设计五开结构，一层套管封盐（图 3a）；当盐顶埋藏浅、盐层厚时，需设计两层套管封盐（图 3b）。而当钻遇一两条断层、两套盐层重复时，需设计六开结构，两层套管封盐（图 3c）。

2.1.2 钻井液设计

（1）以构造建模和精细速度研究为基础，预测三压力剖面，确定合理的钻井液密度，平衡地层孔隙压力和坍塌压力，维持井壁稳定。

（2）结合地层岩性、物理化学性能等，分析可能出现的井下复杂，再通过钻井液室内评价实验，确定合适的钻井液体系和性能指标。如库车组上部地层具有弱水化、中等分散、成岩性差等地质特征，设计的钻井液体系需具备提高抑制性、封堵性的性能；库车组中下部地层具有中等水化、强分散、应力作用显现、易剥落坍塌等地质特征，设计的钻井液体系需密度大小合适且具备提高抑制性、封堵性与泥饼质量的性能；吉迪克组、苏维依组具有强水化、强分散、易坍塌等地质特征，设计的钻井液体系需具备提高抑制性及防塌性、维持低失水的性能。

2.1.3 全井筒提速 2.1.3.1 盐上提速

常规的“被动防斜”钻井技术难以应对倾角较大（15°~87°）的盐上地层，为了解决高陡地层防斜打快难题，针对性引进国外垂钻工具，通过配套钻头，建立标准作业模式，形成了高陡构造防斜打快技术，机械钻速较常规钻井提高3~6倍，井斜控制在1°以内。

另外可以采用精细地质分层方法，为钻头优选设计提供指导。以盐上砾岩体为例，通过野外、地震、测井等技术手段对三维区砾岩体展布进行地质描述，将其整体上划分为未成岩段、准成岩段、成岩段3个大段。在地质描述和实钻基础上，进行精细刻画，结合砾石含量、粒径大小、岩性等情况强化岩石力学分析，从而实现钻头优选及钻井参数优化。

2.1.3.2 盐层提速 2.1.3.2.1 盐顶、盐底预测与精准卡层

面对单一盐层，盐顶埋藏深、盐层薄的情况，设计一层套管封盐。对于盐顶埋深浅、盐层厚或者两套盐层重复的情况，设计两层套管封盐。通过深化地质工程一体化研究，摸清了盐层的横纵向发育情况^[12]。其中横向可以分为6种盐底地层组合模式（图 4）；纵向具有上下两分的特点，上段主要包括上泥岩段和盐岩段，下段主要包括中泥岩段、膏盐岩段和下泥岩段。通过对比钻时，实现盐顶卡层，钻揭盐顶1~2 m后见盐中完。盐底卡层主要通过地层对比、元素录井和小井眼试钻相结合手段实现，同时制定明确的卡盐底中完原则，使得成熟区块盐底卡层成功率高于90%（图 5）。

2.1.3.2.2 盐层的安全钻进

如何安全钻进盐层存在巨大挑战，这是因为盐层具有以下特征：①氯离子、钙离子含量高，易造成水基钻井液增稠、流动性能变差；②夹杂的泥岩易水化，造成井壁失稳；③高压盐水层易使水基钻井液结构力发生破坏，造成重粉沉降；④在“高密度、高矿化度、高温”条件下，水基钻井液的稳定性能较差。

为了实现盐层的安全钻进，首先需要做好地层精细对比以及高压盐水、薄弱层等随钻分析工作，不断提高地质预测的精度。在此基础上，结合盐层的地质特点，采用高密度、强抑制、抗高温、抗盐、抗钙、抗盐水伤害的油基钻井液攻克超深盐膏层钻井“堡垒”（如克深2区块盐膏层钻井周期由152天降至58天）。另外，需注意与工程手段相结合，在“防水放压”等方式基础上探索精细控压钻完井技术，通过对窄密度窗口条件下井底压力的精准控制，应对盐膏层钻完井期间事故复杂时效高的问题。

2.1.3.3 盐下提速 2.1.3.3.1 可钻性分析

基于岩石可钻性及钻井效能评价，对巴一段、巴二段、巴三段进行可钻性分析。其中巴一段为砂泥岩夹层，可钻性级值为10，总体较硬；钻井比能曲线波动剧烈，说明钻头吃入深度不均匀，钻具发生黏滑振动，从实钻来看，复合片几乎无磨损。巴二段、巴三段为均质砂岩，可钻性级值为12~14，石英含量为45%~65%，属极硬强研磨地层；井下振动较巴一段弱，钻头攻击性需求不大，钻头磨损较严重部位主要集中在肩部和鼻部。

2.1.3.3.2 钻头优选

根据地质力学与工程实践相结合分析可知，巴一段钻头布齿密度高，攻击性弱，复合片吃入地层深度低，复合片几乎无磨损，应优先选用抗研磨性为主、兼顾攻击性的高效PDC钻头，以提高机械钻速；巴二段、巴三段钻头磨损较严重部位主要集中在肩部和鼻部，部分复合片蹦齿且存在环形槽，应优先选用抗研磨性为主、兼顾抗冲击性的PDC钻头，以提高单只钻头进尺。

2.2 提产

克拉苏构造带储层属于典型的超深、低孔、低渗透裂缝性致密砂岩储层，品质差（孔隙度6%~8%，基质渗透率0.1~1 mD），裂缝发育不规律，常规改造工艺无法满足效益开发配产要求，因此必须探索针对性的提产技术^[13-16]。

2.2.1 甜点预测

在油田构造规模越来越复杂，圈闭越来越小，同时圈闭有效性、储层发育控制机理不明的条件下，通过地质构造三维地质力学精细建模和断裂精细解释，加强应力场与圈闭和储层的相关性研究，创新形成了塔里木油田井位部署总体原则，即“占高点、沿长轴、打前锋、避低洼、避杂乱、避边水、避叠置”+“低应力、多裂缝、高可压”原则。同时针对同一构造裂缝与应力关系复杂、单井产能差异大的问题，基于地应力场三维力学建模，预测弱应力区（图 6）和天然裂缝分布规律（图 7），精细优化井位部署甜点，为后期提产奠定了基础。

2.2.2 裂缝评价

基于岩心天然裂缝认识，结合力学实验结果，对单一裂缝的渗透性、力学活性有了初步认识，将裂缝分为全充填、半充填、未充填3种。其中全充填裂缝具有渗透率低、裂缝力学强度高、难压开特征，半充填（未充填）裂缝具有渗透率高、裂缝力学强度低、易压开特征。

基于对单一裂缝的认识，再通过成像测井、钻井液漏失特征及裂缝力学活性，将裂缝系统分为三大类，每一类裂缝系统对应不同的提产策略（表 1）。

2.2.3 地质工程一体化提产设计

对裂缝进行定量评价后，进入地质工程一体化提产设计流程，它包括以下几个步骤：

（1）以压裂模型为指导，根据地应力场、岩石力学参数、力—缝关系、井漏特征，动静结合，计算裂缝有效性评价地质—工程分级指数，按照“可压性”相近原则进行分级。

（2）按照“储层物性、地应力大小及裂缝发育程度相近”原则进行分簇。分簇过程中，应确保确保优质储层段、天然裂缝发育层段优先布置射孔簇，并确保射孔段应力偏小且相近。

（3）根据层间应力差准则（两井段施工泵压差值大于等于最小水平主应力差），优化暂堵转向颗粒级配和用量，实现“纵向转层、层内转向”。

（4）建立三维地质力学模型，预测压后缝网形态，优化液体组合、泵注程序和排量。

（5）以产量为目标，应用Petrel油藏工程一体化软件平台，通过三维压裂模拟，确定施工规模。

2.3 提质 2.3.1 保证井眼质量

（1）克拉苏构造带在沉积过程中，受到山体扩张和山体重力造成的挤压作用，大部分区块盐上地层多属易斜区域，地层倾角较大（15°~87°）。通过集成应用垂直钻井等综合提速技术，建立严格的井身质量控制标准，井斜控制在1°以内，如同8、图 9所示。

（2）针对地层特点，以构造建模和精细速度研究为基础，预测纵向压力变化特征，为设计钻井液密度提供理论依据，平衡地层孔隙压力和坍塌压力，维持井壁稳定。同时针对地层岩性软硬交错、井眼垮塌严重的特征，以岩性成分及物理化学特性试验为依托，分层段优化钻井液性能。另外建立了钻井液地质工程一体化设计流程，为钻井液方案设计优化提供了有力支撑。

2.3.2 保证井筒质量

结合地层特点、流体性质、工况条件等因素，进行系统的屏障设计，有力保证了油管柱、套管柱、水泥环的质量。

（1）为保证油管柱质量，应首先减少鲜酸、残酸、凝析水、地层水、CO₂等腐蚀介质与油管柱的接触，选用超级13Cr、抗压缩效率100%的气密封油管，同时配合高温缓蚀剂和甲酸完井液。另外，设计中严格执行对油管柱工况+部件全覆盖三轴力学精细校核。

（2）在确保套管柱、水泥环质量方面，针对井段长盐上部分，采用先悬挂后回接工艺，减少套管磨损，不使用分级箍，消除薄弱点；针对窄密度窗口的盐层部分，采用高抗挤套管、高密度抗盐水钻井液体系、精细评估漏失压力等相结合手段。针对气窜、含CO₂的目的层部分，采用气密封、超级13Cr套管、防气窜水泥浆体系等相结合的手段。

2.3.3 保证平稳生产

为了确保井的平稳生产，根据全井筒物性分析和评价，分析潜在泄漏通道和泄漏压力源，在此基础上形成一套高压气井环空压力管理技术，具体包括以下5个步骤：

（1）判断环空带压类型是属于热至带压（APB）还是环空异常带压（SCP）；

（2）全井地层物性分析、各层段地层强度评价，判断气源是浅层气、邻井气或产层气；

（3）建立井屏障图，开展环空压力诊断分析，查找泄漏通道；

（4）开展井完整性风险评估；

（5）对井进行完整性分级，依据井完整性等级制定不同控制措施。

3 取得的整体成效

克拉苏构造带超深复杂气田开展地质工程一体化实践以来，取得了显著的经济效益与社会效益。在钻井提速方面，超深井钻井周期从“十二五”期间的336天降至2017年的277天，事故复杂时效由“十一五”的18.15%降至2017年的7.39%；在改造提产方面，累计缝网改造75井次，平均增产5倍以上，克深8气田2017年后完成设计21口井25×10⁸ m³的产能规模，单井无阻流量由69×10⁴ m³增加至450×10⁴ m³；在提质方面，即便是在地质条件越发恶劣、气井数量不断增加的情况下，新投产井完整性、完好率仍不断提升，环空压力异常井全面受控，有效管控了国内最大高温高压气田群。地质工程一体化实践工作有利支撑了克拉苏构造带万亿立方米气田群的勘探突破和效益开发，累计供气超过2400×10⁸ m³，有力确保了国家西气东输和南疆利民工程的平稳供气。

4 结论与认识

盐层段安全快速钻井是目前地质工程一体化钻井提速面临的棘手难题。目前由于地震资料品质等问题，准确预测复合盐膏层段的高压盐水、软泥岩、砂泥岩薄弱层难度大，使得钻井常打“遭遇战”，导致事故复杂频发，甚至被迫小井眼完井。为此急需开展一体化攻关研究，提高关键层段精准预测能力，同时进一步完善、探索钻井工程应对手段。

克拉苏构造带储层3类裂缝“有储量，无产量”难题是制约改造提产的关键。在当前直井条件下，缝网改造体积有限，提产空间受限。为了实现改造提产目标，需发展钻井、完井、改造一体化提产设计思路与技术路线，以天然裂缝预测技术为基础，三维地质力学技术为桥梁，指导井位优选和大斜度井/水平井轨迹设计，在三维地质模型上开展压裂精细模拟，确定改造段数及施工参数，形成完备的闭环设计流程，实现钻井、完井、改造一体化设计流程。

超深高温高压地层中的复杂工况条件、苛刻服役环境给井完整性提出了严峻考验，影响了油气井的长期安全平稳生产。随着气田开发，地层应力状态、井筒温压场等发生持续变化，极易引发出砂、出水、结蜡、结垢等流动保障问题，从而引起油管柱堵塞、套管柱挤毁和水泥环破坏等一系列井完整性问题。为此，需以全生命周期内地质力学演化过程精细模拟为基础，开展系统的出砂、出水、结垢等机理研究，指导建井设计和生产维护，实现由“以治为主、以防为辅”向“以防为主、以治为辅”的转变。

提高多学科数据使用效率仍是地质工程一体化攻关研究中不可忽视的基础工作。目前塔里木油田已自建了多个勘探开发数据库系统，基本实现了多学科数据的集中管理和数据共享，但信息孤岛问题依然存在，时效性和深度挖掘还不足。为了给地质工程一体化研究提供更加坚实的基础保障，需通过钻完井远程决策支持中心和地质工程一体化数据平台，实现多学科数据的深度融合和有效挖掘，形成“远程化、集成化、实时化、可视化、多元化”地质工程一体化组织和管理模式。