煤层气井排采动态预警方法研究*

王凤林胡爱梅陈松鹤冯 堃赵增平

（1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京市海淀区，100095；2.煤层气开发利用国家工程研究中心，北京市海淀区，100095）

煤层气井排采动态预警方法研究*

王凤林1，2胡爱梅1，2陈松鹤1，2冯 堃1，2赵增平1，2

（1.中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司，北京市海淀区，100095；2.煤层气开发利用国家工程研究中心，北京市海淀区，100095）

分析了煤层气井排采动态预警的3种方法：指标预警、规划预警和趋势预警，开发了指标预警系统，在示范区应用效果良好，为煤层气田开发动态预警提供了一条新的途径。

煤层气 排采异常 动态预警 指标预警 规划预警 趋势预警

煤层气井的排采管理处于煤层气井开发管理的中心地位，其中影响煤层气井排采效果的因素是多种多样且有其自身的不确定性，任何影响因素的弱化和滞后都会影响煤层气井的整体排采效果。这就要求在煤层气排采生产管理中建立预警机制，提前发现影响排采效果的各种不利影响因素，将事后处理转为事前预防或事中监控，并及时采取有效的纠偏措施。排采动态预警必须符合 “缓慢、连续、稳定、长期”的排采原则，其核心是保持或提高煤层渗透率，关键在于控制井底压力或井底流压降速、产气增速和保持设备工况正常。目前刘升贵等开展了煤层气井排采煤粉浓度预警研究。本文在系统分析排采异常影响因素的基础上，建立了排采动态预警的指标预警、规划预警和趋势预警，开发了煤层气井排采指标预警系统，并在鄂尔多斯盆地东缘的示范区应用，取得良好的效果。

1　排采动态预警方法

在分析预警理论的基础上，结合示范区鄂尔多斯盆地东缘韩城（中高阶煤）、保德（中低阶煤）区块煤层气开发特点，深入研究影响煤层气排采的主要因素，形成单指标预警、规划预警和趋势预警三类预警方法。指标预警是针对煤层气井排采参数超过阈值的实时报警；规划预警是对排采参数结合各阶段的排采制度制定规划的上下线实行超限预警；趋势预警是应用BP神经网络算法对历史数据训练后确定未来的排采趋势，对超出指标阈值或规划上下线的参数给出提前预警。

1.1指标预警方法

排采预警指标建立的关键是分析煤层气井排采异常，从大类上划分为排采效果异常和设备异常两类。排采效果异常可分为产水量增减异常、产气量增减异常、气锁、动液面下降过快、供液不足、爆发性出砂、爆发性出煤粉、套压变化值大、井底压力变化值大；设备异常可分为井下设备异常和发电机组异常。井下设备异常分为杆异常（油杆断脱和油杆偏磨）、管异常（油管偏磨、油管漏失、油管脱扣）、泵异常（柱塞在泵内卡死、泵塞脱出泵筒、泵漏失、泵筒腐蚀和柱塞碰泵）。

建立排采预警指标体系是排采动态预警的重要基础，不仅要考虑到指标体系的完备性，而且要顾及到指标间生产预警主体不重复，减少指标的关联度，尽可能使所建立的指标体系为指标集中的最小完备集。在排采动态异常影响主控因素研究的基础上，设计构建三大类四小类排采动态预警指标体系，结合煤层气井多年来的排采经验总结和数据统计分析，初步确定了适合示范区鄂尔多斯盆地东缘预警指标的合理范围，如表1所示。

表1　排采预警指标体系

1.2规划预警方法

结合地质工程研究和煤层气开发六阶段的排采制度，对示范区的600多口井的生产动态进行长期的跟踪研究，进行数据统计分析，确定煤层气井排采阶段与排采参数特征，从时间方面规划每口井的产气量、产水量、井底流压、套压的规划排采曲线，如图1所示，对超出规划指标曲线上下线及时报警，并给出调整建议，人工控制的井由管理部门对排采队下发调整计划，自动控制的井根据趋势拟合算法，动态调整冲次和套压调节阀，使排采调整到规划范围内。

规划值趋势拟合模型:

规划上下限趋势拟合模型:

式中:f（x）——规划值；

x0——预测项初始值；

△x——t时间内的变化量；

t——时间值，h；

a——设定的上下限值（上限为正值，下限为负值）。

1.3趋势预警方法

在煤层气井的实际排采过程中，需根据产能大小的变化不断调整排采工作制度。如果能够较为准确地预测出煤层气井未来的产能大小变化，势必将为排采工作制度的调整提供科学依据。而指标预警的警限、警区采用确定方式，不具备时变特性，因此本文采用BP神经网络模型，利用煤层气井前期的排采数据来训练和检验网络，根据检验效果不断的调整和优化网络结构，直至达到满意的预期效果，运用构建好的模型对未来10 d内生产指标进行趋势预测预警。

图1　规划预警曲线

基于神经网络的时序回归模型如图2所示，由输入单元、输出单元、隐层单元3部分组成。输入单元由动液面、井底压力、套压、泵深、冲程、冲次、日产气量、日产水量（Φ1，…，Φ8）8个输入属性组成，每个属性又分别选取了排采周期内的时序数据k个，即各排采参数为连续排采k天的数据。由于训练样本属性维度不够，振荡较大，本文在样本训练时进行了维度扩展，由原来的8个输入属性扩展到40个输入属性。

图2　基于神经网络的时序回归模型

输出单元由日产气量、日产水量、动液面、井底压力和套压5个属性构成。通过排采过程中泵的相关参数及排采参数的时序数据，实现对产气量、产水量、动液面、套压、井底压力的预测。

隐藏层由2层构成。第一层隐层的节点数为24个，第二层节点数为13个。

对示范区保德20口井进行日产气量、日产水量、动液面、套压、井底压力排采不同阶段进行一个月的历史训练，对未来10 d内的数据进行预测，日产水误差率在0.07%～9.03%之间，平均误差率为2.72%；日产气误差率在0.15%～10.13%之间，平均误差率为3.29%；动液面误差率在0.23%～9.53%之间，平均误差率为2.32%；套压误差率在0.1%～2.3%之间，平均误差率为1.2%；井底压力预测期望输出与预测输出误差率在0.58%～13.19%之间，平均误差为9.3%。实验表明预测值与输入值误差较小，平均误差在10%以下，曲线拟合程度较好，基本符合实际情况要求，能够达到预测指标的要求。

2　排采动态预警系统

在排采异常分析统计和预警指标体系研究的基础上，结合示范区排采动态监测数据，开发了煤层气井排采动态指标预警系统，如图3所示，包括指标预警、工况诊断、规划预警、趋势预警和报警管理。

图3　煤层气井排采动态预警系统

（1）指标预警系统分析区块的异常数据特点，建立排采预警指标体系，应用模糊评判法，引入模糊集概念提高预警的准确率。动态预警系统通过对现场数据的实时采集监控，并在出现异常情况或波动过大时预警报警。同时采用多线程技术，每个预警类型由单独的一个线程维护处理，提高了数据运算速度；预警数据按队列的方式，按时间顺序先进先出的原则处理，防止数据异常中断造成部分信息未被处理的现象。

（2）抽油机的工况预警系统关键在于比较、区分不同故障泵功图的几何特征的差异，采用8点2线3面积18个几何特征参数的几何特征综合评判法。该系统目前可诊断抽油机10种工况和螺杆泵9种工况，其诊断准确率可达80%以上。

（3）规划预警系统实现排采指令批量导入、远程实时监测煤层气井生产动态数据，以曲线方式直观展示排采计划和实时控制目标的执行情况。

（4）趋势预测预警系统采用BP神经网络模型，开发了预测算法，取排采井的泵深、套压、煤层中深、日产气量、日产水量、动液面、井底压力构建预测学习样本，对产气量、产水量、动液面和井底压力进行了预测试验。通过中国软件评测中心的软件测试，预警准确率在80%以上。

3　结论

（1）在示范区534口井排采异常数据统计的基础上，确定了排采效果异常的主要因素:井底压力、动液面下降速度、产气量增速、产水量增速和出砂出煤粉。设计构建3大类4小类排采动态预警指标体系，结合示范区特点，分析了关键指标的计算方法，形成抽油机10种、螺杆泵的9种异常图版。

（2）结合煤层气井开发的5阶段建立井底流压、套压、渗透率、日产气、日产水的规划预警方法。结合BP神经网络模型:由动液面、井底压力、套压、泵效、泵深、冲程、冲次、产水量构成8个输出单元，由产气量、产水量、动液面、井底压力和套压共5个构成的输出单元，2层的隐藏层。

（3）开发了煤层气井排采指标动态预警系统，在示范区20口井开展应用，对排采效果进行有效预警，抽油杆断脱预警61次、泵漏失37次，与现场的修井作业相符合。应用效果良好，为煤层气田开发动态预警提供了一条新的途径。

［1］ 刘升贵，胡爱梅等.煤层气井排采煤粉浓度预警及防控措施［J］.煤炭学报，2012（1）

［2］ 杨秀春，李明宅.煤层气排采动态参数及其相互关系［J］.煤田地质与勘探，2008（2）

［3］ 赵智勇，刘志斌等.油田监测指标预测预警开发动态系统［M］.北京:石油工业出版社，2010

［4］ 宫运华，罗云.安全生产预警管理研究 ［J］.中国煤炭，2006（10）

［5］ 范秋芳，顾光彩，马杨.石油企业生产经营系统监测预警指标体系和预警方法研究 ［J］，运筹与管理，2006（1）

［6］ 顾谦隆.煤层气井下排采参数及其诊断仪研制要点思考［J］，中国煤炭地质，2008（3）

Study on dynamic warning methods of coalbed methane well drainage

Wang Fenglin1，2，Hu Aimei1，2，Chen Songhe1，2，Feng 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

王凤林（1977-），男，河北承德人，博士，主要研究方向地球信息科学和煤层气勘探开发。

（责任编辑 张艳华）

国家科技重大专项38课题5（2011ZX05038-005）——煤层气井排采动态监控与数据分析技术