煤層氣井排采動態(tài)預(yù)警方法研究*

王鳳林胡愛梅陳松鶴馮 堃趙增平

（1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京市海淀區(qū)，100095；2.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心，北京市海淀區(qū)，100095）

煤層氣井排采動態(tài)預(yù)警方法研究*

王鳳林1，2胡愛梅1，2陳松鶴1，2馮 堃1，2趙增平1，2

（1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京市海淀區(qū)，100095；2.煤層氣開發(fā)利用國家工程研究中心，北京市海淀區(qū)，100095）

分析了煤層氣井排采動態(tài)預(yù)警的3種方法：指標(biāo)預(yù)警、規(guī)劃預(yù)警和趨勢預(yù)警，開發(fā)了指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，在示范區(qū)應(yīng)用效果良好，為煤層氣田開發(fā)動態(tài)預(yù)警提供了一條新的途徑。

煤層氣 排采異常 動態(tài)預(yù)警 指標(biāo)預(yù)警 規(guī)劃預(yù)警 趨勢預(yù)警

煤層氣井的排采管理處于煤層氣井開發(fā)管理的中心地位，其中影響煤層氣井排采效果的因素是多種多樣且有其自身的不確定性，任何影響因素的弱化和滯后都會影響煤層氣井的整體排采效果。這就要求在煤層氣排采生產(chǎn)管理中建立預(yù)警機制，提前發(fā)現(xiàn)影響排采效果的各種不利影響因素，將事后處理轉(zhuǎn)為事前預(yù)防或事中監(jiān)控，并及時采取有效的糾偏措施。排采動態(tài)預(yù)警必須符合 “緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定、長期”的排采原則，其核心是保持或提高煤層滲透率，關(guān)鍵在于控制井底壓力或井底流壓降速、產(chǎn)氣增速和保持設(shè)備工況正常。目前劉升貴等開展了煤層氣井排采煤粉濃度預(yù)警研究。本文在系統(tǒng)分析排采異常影響因素的基礎(chǔ)上，建立了排采動態(tài)預(yù)警的指標(biāo)預(yù)警、規(guī)劃預(yù)警和趨勢預(yù)警，開發(fā)了煤層氣井排采指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，并在鄂爾多斯盆地東緣的示范區(qū)應(yīng)用，取得良好的效果。

1　排采動態(tài)預(yù)警方法

在分析預(yù)警理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合示范區(qū)鄂爾多斯盆地東緣韓城（中高階煤）、保德（中低階煤）區(qū)塊煤層氣開發(fā)特點，深入研究影響煤層氣排采的主要因素，形成單指標(biāo)預(yù)警、規(guī)劃預(yù)警和趨勢預(yù)警三類預(yù)警方法。指標(biāo)預(yù)警是針對煤層氣井排采參數(shù)超過閾值的實時報警；規(guī)劃預(yù)警是對排采參數(shù)結(jié)合各階段的排采制度制定規(guī)劃的上下線實行超限預(yù)警；趨勢預(yù)警是應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練后確定未來的排采趨勢，對超出指標(biāo)閾值或規(guī)劃上下線的參數(shù)給出提前預(yù)警。

1.1指標(biāo)預(yù)警方法

排采預(yù)警指標(biāo)建立的關(guān)鍵是分析煤層氣井排采異常，從大類上劃分為排采效果異常和設(shè)備異常兩類。排采效果異?？煞譃楫a(chǎn)水量增減異常、產(chǎn)氣量增減異常、氣鎖、動液面下降過快、供液不足、爆發(fā)性出砂、爆發(fā)性出煤粉、套壓變化值大、井底壓力變化值大；設(shè)備異常可分為井下設(shè)備異常和發(fā)電機組異常。井下設(shè)備異常分為桿異常（油桿斷脫和油桿偏磨）、管異常（油管偏磨、油管漏失、油管脫扣）、泵異常（柱塞在泵內(nèi)卡死、泵塞脫出泵筒、泵漏失、泵筒腐蝕和柱塞碰泵）。

建立排采預(yù)警指標(biāo)體系是排采動態(tài)預(yù)警的重要基礎(chǔ)，不僅要考慮到指標(biāo)體系的完備性，而且要顧及到指標(biāo)間生產(chǎn)預(yù)警主體不重復(fù)，減少指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，盡可能使所建立的指標(biāo)體系為指標(biāo)集中的最小完備集。在排采動態(tài)異常影響主控因素研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計構(gòu)建三大類四小類排采動態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系，結(jié)合煤層氣井多年來的排采經(jīng)驗總結(jié)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，初步確定了適合示范區(qū)鄂爾多斯盆地東緣預(yù)警指標(biāo)的合理范圍，如表1所示。

表1　排采預(yù)警指標(biāo)體系

1.2規(guī)劃預(yù)警方法

結(jié)合地質(zhì)工程研究和煤層氣開發(fā)六階段的排采制度，對示范區(qū)的600多口井的生產(chǎn)動態(tài)進行長期的跟蹤研究，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確定煤層氣井排采階段與排采參數(shù)特征，從時間方面規(guī)劃每口井的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、井底流壓、套壓的規(guī)劃排采曲線，如圖1所示，對超出規(guī)劃指標(biāo)曲線上下線及時報警，并給出調(diào)整建議，人工控制的井由管理部門對排采隊下發(fā)調(diào)整計劃，自動控制的井根據(jù)趨勢擬合算法，動態(tài)調(diào)整沖次和套壓調(diào)節(jié)閥，使排采調(diào)整到規(guī)劃范圍內(nèi)。

規(guī)劃值趨勢擬合模型:

規(guī)劃上下限趨勢擬合模型:

式中:f（x）——規(guī)劃值；

x0——預(yù)測項初始值；

△x——t時間內(nèi)的變化量；

t——時間值，h；

a——設(shè)定的上下限值（上限為正值，下限為負(fù)值）。

1.3趨勢預(yù)警方法

在煤層氣井的實際排采過程中，需根據(jù)產(chǎn)能大小的變化不斷調(diào)整排采工作制度。如果能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測出煤層氣井未來的產(chǎn)能大小變化，勢必將為排采工作制度的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。而指標(biāo)預(yù)警的警限、警區(qū)采用確定方式，不具備時變特性，因此本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用煤層氣井前期的排采數(shù)據(jù)來訓(xùn)練和檢驗網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)檢驗效果不斷的調(diào)整和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直至達到滿意的預(yù)期效果，運用構(gòu)建好的模型對未來10 d內(nèi)生產(chǎn)指標(biāo)進行趨勢預(yù)測預(yù)警。

圖1　規(guī)劃預(yù)警曲線

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時序回歸模型如圖2所示，由輸入單元、輸出單元、隱層單元3部分組成。輸入單元由動液面、井底壓力、套壓、泵深、沖程、沖次、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量（Φ1，…，Φ8）8個輸入屬性組成，每個屬性又分別選取了排采周期內(nèi)的時序數(shù)據(jù)k個，即各排采參數(shù)為連續(xù)排采k天的數(shù)據(jù)。由于訓(xùn)練樣本屬性維度不夠，振蕩較大，本文在樣本訓(xùn)練時進行了維度擴展，由原來的8個輸入屬性擴展到40個輸入屬性。

圖2　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時序回歸模型

輸出單元由日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、動液面、井底壓力和套壓5個屬性構(gòu)成。通過排采過程中泵的相關(guān)參數(shù)及排采參數(shù)的時序數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、動液面、套壓、井底壓力的預(yù)測。

隱藏層由2層構(gòu)成。第一層隱層的節(jié)點數(shù)為24個，第二層節(jié)點數(shù)為13個。

對示范區(qū)保德20口井進行日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、動液面、套壓、井底壓力排采不同階段進行一個月的歷史訓(xùn)練，對未來10 d內(nèi)的數(shù)據(jù)進行預(yù)測，日產(chǎn)水誤差率在0.07%～9.03%之間，平均誤差率為2.72%；日產(chǎn)氣誤差率在0.15%～10.13%之間，平均誤差率為3.29%；動液面誤差率在0.23%～9.53%之間，平均誤差率為2.32%；套壓誤差率在0.1%～2.3%之間，平均誤差率為1.2%；井底壓力預(yù)測期望輸出與預(yù)測輸出誤差率在0.58%～13.19%之間，平均誤差為9.3%。實驗表明預(yù)測值與輸入值誤差較小，平均誤差在10%以下，曲線擬合程度較好，基本符合實際情況要求，能夠達到預(yù)測指標(biāo)的要求。

2　排采動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)

在排采異常分析統(tǒng)計和預(yù)警指標(biāo)體系研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合示范區(qū)排采動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開發(fā)了煤層氣井排采動態(tài)指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，如圖3所示，包括指標(biāo)預(yù)警、工況診斷、規(guī)劃預(yù)警、趨勢預(yù)警和報警管理。

圖3　煤層氣井排采動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)

（1）指標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)分析區(qū)塊的異常數(shù)據(jù)特點，建立排采預(yù)警指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊評判法，引入模糊集概念提高預(yù)警的準(zhǔn)確率。動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集監(jiān)控，并在出現(xiàn)異常情況或波動過大時預(yù)警報警。同時采用多線程技術(shù)，每個預(yù)警類型由單獨的一個線程維護處理，提高了數(shù)據(jù)運算速度；預(yù)警數(shù)據(jù)按隊列的方式，按時間順序先進先出的原則處理，防止數(shù)據(jù)異常中斷造成部分信息未被處理的現(xiàn)象。

（2）抽油機的工況預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵在于比較、區(qū)分不同故障泵功圖的幾何特征的差異，采用8點2線3面積18個幾何特征參數(shù)的幾何特征綜合評判法。該系統(tǒng)目前可診斷抽油機10種工況和螺桿泵9種工況，其診斷準(zhǔn)確率可達80%以上。

（3）規(guī)劃預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)排采指令批量導(dǎo)入、遠(yuǎn)程實時監(jiān)測煤層氣井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，以曲線方式直觀展示排采計劃和實時控制目標(biāo)的執(zhí)行情況。

（4）趨勢預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)了預(yù)測算法，取排采井的泵深、套壓、煤層中深、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量、動液面、井底壓力構(gòu)建預(yù)測學(xué)習(xí)樣本，對產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、動液面和井底壓力進行了預(yù)測試驗。通過中國軟件評測中心的軟件測試，預(yù)警準(zhǔn)確率在80%以上。

3　結(jié)論

（1）在示范區(qū)534口井排采異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，確定了排采效果異常的主要因素:井底壓力、動液面下降速度、產(chǎn)氣量增速、產(chǎn)水量增速和出砂出煤粉。設(shè)計構(gòu)建3大類4小類排采動態(tài)預(yù)警指標(biāo)體系，結(jié)合示范區(qū)特點，分析了關(guān)鍵指標(biāo)的計算方法，形成抽油機10種、螺桿泵的9種異常圖版。

（2）結(jié)合煤層氣井開發(fā)的5階段建立井底流壓、套壓、滲透率、日產(chǎn)氣、日產(chǎn)水的規(guī)劃預(yù)警方法。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型:由動液面、井底壓力、套壓、泵效、泵深、沖程、沖次、產(chǎn)水量構(gòu)成8個輸出單元，由產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、動液面、井底壓力和套壓共5個構(gòu)成的輸出單元，2層的隱藏層。

（3）開發(fā)了煤層氣井排采指標(biāo)動態(tài)預(yù)警系統(tǒng)，在示范區(qū)20口井開展應(yīng)用，對排采效果進行有效預(yù)警，抽油桿斷脫預(yù)警61次、泵漏失37次，與現(xiàn)場的修井作業(yè)相符合。應(yīng)用效果良好，為煤層氣田開發(fā)動態(tài)預(yù)警提供了一條新的途徑。

［1］ 劉升貴，胡愛梅等.煤層氣井排采煤粉濃度預(yù)警及防控措施［J］.煤炭學(xué)報，2012（1）

［2］ 楊秀春，李明宅.煤層氣排采動態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008（2）

［3］ 趙智勇，劉志斌等.油田監(jiān)測指標(biāo)預(yù)測預(yù)警開發(fā)動態(tài)系統(tǒng)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2010

［4］ 宮運華，羅云.安全生產(chǎn)預(yù)警管理研究 ［J］.中國煤炭，2006（10）

［5］ 范秋芳，顧光彩，馬楊.石油企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系和預(yù)警方法研究 ［J］，運籌與管理，2006（1）

［6］ 顧謙隆.煤層氣井下排采參數(shù)及其診斷儀研制要點思考［J］，中國煤炭地質(zhì)，2008（3）

Study on dynamic warning methods of coalbed methane well drainage

Wang Fenglin1，2，Hu Aimei1，2，Chen Songhe1，2，F(xiàn)eng Kun1，2，Zhao Zengping1，2
（1.China United Coalbed Methane National Engineering Research Center Co.，Ltd.，Haidian，Beijing 100095，China；2.National Engineering Research Center of Coalbed Methane Development&Utilization，Haidian，Beijing 100095，China）

Three methods of dynamic warning for coalbed methane well drainage were systematically analyzed，which were index warning，plan warning and tendency warning.The index warning system was developed and applied in the demonstration area，which acquired good effect and provided a new way for dynamic warning of coalbed methane field development.

coalbed methane，drainage abnormal，dynamic warning，index warning，plan warning，tendency warning

TD79

A

王鳳林（1977-），男，河北承德人，博士，主要研究方向地球信息科學(xué)和煤層氣勘探開發(fā)。

（責(zé)任編輯 張艷華）

國家科技重大專項38課題5（2011ZX05038-005）——煤層氣井排采動態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析技術(shù)