基于BP神经网络的沁中南煤层气井解吸压力预测及应用.pdf

全日制硕士学位论文 基于基于 BPBP 神经网络的沁中南煤层气井解吸压力神经网络的沁中南煤层气井解吸压力 预测及应用预测及应用 申请人姓名 胡修凤 指 导 教 师 张小东 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 煤层气地质 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二〇〇一七年六一七年六月月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号P618 密密 级公开级公开 UDC550 单位代码单位代码10460 基于 BP 神经网络的沁中南煤层气井解吸压力 预测及应用 Prediction of Coalbed Methane Wells Desorption Pressure Based on BP Neural Networks and Its Applications in the Central-Southern Qinshui Basin 申请人姓名申请人姓名 胡修凤胡修凤 申请学位申请学位 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向 煤层气地质煤层气地质 导导 师师 张小东张小东 职职 称称 教授教授 提交日期提交日期 2017.4 答辩日期答辩日期 2017.6 河南理工大学 万方数据 万方数据 致谢致谢 本论文是在导师张小东教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。从论文的选题，开题 及论文框架的构建、修订，都凝聚着张老师的智慧和心血。论文实际撰写过程中，他对 专业知识的深刻理解、严谨的治学态度及和蔼可亲的待人方式给我留下了深刻的印象， 让我受益匪浅。借此机会，特向他表示诚挚的感谢和衷心的祝福，愿张老师阖家幸福、 身体健康 感谢河南理工大学苏现波、倪小明、韩颖、郭红玉、林晓英、刘晓、宋金星、李贤 忠、林俊峰、衡帅、夏大平等为我授业、解惑的老师们同时也感谢学院的领导、相关 老师及辅导员对我的关爱 师兄赵家攀、杜志刚、王辰霖、王思科、魏高洋，我的同门孙庆宇、丁哲、张硕， 师弟朱春晖、李朋朋、余坤坤、郝宗超等在论文的完成过程中提出了不少宝贵的意见， 在此一并表示感谢 感谢华北油田分公司总经理助理朱庆忠教授级高工， 华北油田分公司煤层气公司杨 延辉主任、杨艳磊主任、陈龙伟主任等在论文资料搜集以及写作过程中给予的指导和帮 助 感谢我的家人和朋友没有他们在背后默默无闻的付出和支持，就没有本论文的按 时完成。 他们的养育之恩和无私关爱是促使我前进的不竭动力， 在此祝愿他们幸福安康 最后，感谢各位专家和教授能够在百忙之中审阅我的论文，由于本人水平有限，文 中出现的疏漏和偏差在所难免，观点和论述若有不当之处，敬请各位老师、专家不吝赐 教指点 万方数据 万方数据 I 摘要摘要 解吸压力是煤层气井产能预测的关键参数，对气井排采管控具有重要的指导作用。 煤层气井生产实践表明， 根据排采得到的实际解吸压力与根据等温吸附曲线计算得到的 临界解吸压力往往存在差异，影响排采工作制度的制定。准确预测气井实际解吸压力， 探讨实际解吸压力与临界解吸压力的关系对于煤层气开发具有重要意义。 本文以沁水盆地中南部的长治-安泽区块 3煤层为研究对象，基于煤层气地质背景 和气井排采资料，分析了煤层气井解吸压力分布特征及其差异性，揭示了影响实际解吸 压力的主要因素及其影响机制。在此基础上，建立了实际解吸压力的 BP 神经网络的预 测模型；并构建了煤层气井单向流阶段合理排采强度的数学模型。 研究发现 （1）长治-安泽区块 3煤层埋深较大，煤种主要为贫煤，渗透率较低， 煤体破碎，吸附能力较强，吸附时间较短，含气量自东西两翼向盆地中部逐渐增大，3 煤层属于欠压储层，且东部长治区块储层压力梯度明显低于西部安泽区块。 （2）研究区 煤层气井解吸压力总体呈现东西两翼低中部高的条带状分布，其中，安泽区块煤层气井 实际解吸压力一般大于临界解吸压力；而长治区块二者相当。煤层含气性、储层压力、 吸附性是影响解吸压力的根本原因。 （3）解吸滞后以及含气量测试误差是解吸压力存在 差异的主要原因，储层压力梯度是研究区东西部实际解吸压力差异的主要原因。 （4）根 据各因素对解吸压力的影响权重， 优选出储层压力、 最小水平主应力、 储层温度、 埋深、 见气前日产水量、含气量 6 个参数作为输入层参数，构建了拓扑结构为 6-12-1 的 BP 神 经网络预测模型，该模型预测精度较高，平均误差为 9.12。 （5）基于渗流理论，建立 了考虑启动压力梯度的煤层气井单向流阶段合理排采强度的数学模型， 该模型具有较好 的适用性。 关键词关键词沁中南；煤层气；解吸压力；影响因素；BP 神经网络；合理排采强度 万方数据 万方数据 III Abstract Desorption pressure is the key parameter of coalbed methane CBM wells productivity prediction, which plays an important role in gas wells drainaging. The production of CBM wells shows that there are differences between actual desorption pressure obtained from the drainage and critical desorption pressure calculated by the adsorption theory, which is detrimental to the development of drainage system. It is of great significance to predict the actual desorption pressure of gas wells accurately and to discuss the relationship between the actual desorption pressure and the critical desorption pressure. In this paper, the No.3 coal seam of Changzhi-Anze block in central-southern Qinshui basin was selected as research object. Based on the geological settings of coalbed methane and the production data of CBM wells, the distribution characteristics and differences of the desorption pressure of CBM wells were analyzed, and the main factors affecting the actual desorption pressure and their influence mechanism were investigated. Further, the prediction model of actual desorption pressure were established based on BP neural network, and the mathematical model for the reasonable drainage intensity in uniflow stage of CBM wells was constructed. Results show that the main coal types of No.3 coal seam in the study area is lean coal, which has a greater buried depth, low permeability, strong adsorption capacity, short adsorption time and high deation degree of coal body; The gas content gradually increased from the east and the west part to the central of the basin; The No.3 coal seam is the under pressure reservoir, and the pressure gradient of the Changzhi block in the eastern part of the study area is obviously lower than that of the western Anze block. The desorption pressure of CBM wells in the east and the west is lower than that in the central, showing a banding distribution. The actual desorption pressure of CBM wells in the Anze block is generally greater than the critical desorption pressure; however, for Changzhi block, the desorption pressure is approximately equal to the critical desorption pressure. Gas content, reservoir pressure and adsorption capacity are the fundamental factors affecting the desorption pressure. Desorption hysteresis and the gas content measurement error are the main reasons for the differences between autual and critical desorption pressure, the differences of the reservoir pressure gradient are the main reasons for the discrepancy of the actual desorption pressure 万方数据 between the east and the west part. According to the influence weight of each factor on desorption pressure, this paper optimized the reservoir pressure, the minimum horizontal principal stress, reservoir temperature, buried depth, gas content and water production before gas production as the layer parameters, constructed the BP neural network prediction model with the topological structure of 6-12-1, this model has high prediction precision, and the average error is 9.12. Based on the percolation theory, considering starting pressure gradients, a mathematical model was established to calculate the reasonable drainage intensity of CBM wells in uniflow stage, the model has fairly good applicability. Keywordscentral-southern Qinshui basin; coalbed methane; desorption pressure; influencing factors; BP neural network; reasonable drainage intensity 万方数据 V 目目 录录 摘要摘要 ................................................................................................................................... I 目录目录 .................................................................................................................................. V 1 绪论绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 研究目的及意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究进展 ................................................................................................. 2 1.2.1 吸附性 ........................................................................................................................ 2 1.2.2 解吸性 ........................................................................................................................ 5 1.2.3 煤层气井解吸压力 .................................................................................................... 8 1.2.4 煤层气井排采制度确定 ............................................................................................ 9 1.2.5 研究存在的问题 ...................................................................................................... 10 1.3 研究内容和技术路线 ....................................................................................... 10 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................. 10 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................. 11 2 研究区地质概况研究区地质概况 ......................................................................................................... 13 2.1 研究区位置 ....................................................................................................... 13 2.2 地质构造 ........................................................................................................... 13 2.2.1 区域构造特征及演化 .............................................................................................. 13 2.2.2 研究区地质构造特征 .............................................................................................. 15 2.3 含煤地层 ........................................................................................................... 16 2.4 水文地质 ........................................................................................................... 17 2.5 岩浆活动 ........................................................................................................... 19 2.6 本章小结 ........................................................................................................... 20 3 研究区煤储层特征研究区煤储层特征 ..................................................................................................... 21 3.1 煤层赋存特征 ................................................................................................... 21 3.1.1 煤厚 .......................................................................................................................... 21 3.1.2 煤层埋深 .................................................................................................................. 21 3.2 煤岩煤质 ........................................................................................................... 22 万方数据 3.2.1 煤岩 .......................................................................................................................... 22 3.2.2 煤质 .......................................................................................................................... 22 3.3 孔裂隙性 ........................................................................................................... 23 3.3.1 孔隙性 ...................................................................................................................... 24 3.3.2 裂隙性 ...................................................................................................................... 25 3.4 煤体结构及渗透率 ........................................................................................... 26 3.4.1 煤体结构 .................................................................................................................. 26 3.4.2 渗透率 ...................................................................................................................... 27 3.5 储层压力/温度 .................................................................................................. 28 3.6 吸附/解吸性 ...................................................................................................... 30 3.7 含气性 ............................................................................................................... 31 3.7.1 含气量 ...................................................................................................................... 31 3.7.2 气体成分 .................................................................................................................. 32 3.7.3 含气饱和度 .............................................................................................................. 33 3.8 本章小结 ........................................................................................................... 34 4 沁中南煤层气井解吸压力分布特征及影响因素沁中南煤层气井解吸压力分布特征及影响因素 ..................................................... 37 4.1 解吸压力分布特征 ........................................................................................... 37 4.1.1 解吸压力的获取 ...................................................................................................... 37 4.1.2 解吸压力分布特征 .................................................................................................. 37 4.2 实际解吸压力的影响因素 ............................................................................... 39 4.2.1 地质因素 .................................................................................................................. 39 4.2.2 储层因素 .................................................................................................................. 41 4.2.3 工程因素 .................................................................................................................. 46 4.3 解吸压力差异性分析 ....................................................................................... 48 4.4 本章小结 ........................................................................................................... 51 5 基于基于 BP 神经网络的煤层气井实际解吸压力预测神经网络的煤层气井实际解吸压力预测 ................................................. 53 5.1 BP 神经网络基本原理 ...................................................................................... 53 5.2 BP 神经网络输入层参数优选 .......................................................................... 56 5.3 基于 BP 神经网络的实际解吸压力预测 ........................................................ 57 5.4 本章小结 ........................................................................................................... 61 万方数据 VII 6 基于启动压力梯度的单向流阶段煤层气井合理排采制度基于启动压力梯度的单向流阶段煤层气井合理排采制度 .................................... 63 6.1 基于启动压力梯度的单向流阶段气井合理排采制度的确定 ....................... 63 6.1.1 单向流阶段考虑启动压力梯度的煤层气井排采半径 .......................................... 63 6.1.2 单向流阶段排采制度的确定 .................................................................................. 64 6.2 模型适用性分析 ............................................................................................... 65 6.3 本章小结 ........................................................................................................... 67 7 结论及建议结论及建议 ................................................................................................................. 69 7.1 结论 ................................................................................................................... 69 7.2 建议 ................................................................................................................... 70 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 73 作者简介作者简介 ......................................................................................................................... 81 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................. 83 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究目的及意义 煤层气主要以吸附态形式存在于煤基质内表面，在原始地层条件下（一定的温度和 压力） ， 煤基质与气体分子之间的吸附和解吸处于动态平衡。 在煤层气地面开发过程中， 随着煤层中水的不断排出，储层压力开始下降，当降至一定压力时，打破了煤-气之间 的吸附-解吸平衡关系，促使吸附气向游离气转变，更多的气体分子开始解吸脱离煤体 直至流向井筒，此时对应的井底流体压力即为实际解吸压力。排采过程中，实际解吸压 力可由井底压力计直接读出，也可通过套压、气柱压力与混有气体的液柱压力三者之和 求取，而临界解吸压力通过等温吸附曲线得到。解吸压力是煤层气井产能预测和采收率 计算的关键参数，对煤层气井早期排采管控具有重要的指导作用，解吸压力的误判可能 直接导致排采制度的失误。因此，对煤层气井解吸压力特征进行系统深入的研究具有重 要意义。 沁水盆地是世界上唯一在高阶煤发育区实现煤层气商业化、规模化开采的含煤盆地 [1-3]，也是我国目前煤层气开发的热点区域。目前，沁水盆地煤层气已在盆地南部的晋城 区域内潘庄、郑庄、成庄、樊庄等区块获得了商业化产能。随着煤层气产业的快速发展 和勘探开发技术进步，区内煤层气勘探开发战略北移，如中部的长治、安泽，北部的和 顺、寿阳区块。截止 2015 年底，华北油田煤层气分公司已在沁水盆地中部的长治-安泽 区块实施煤层气井 600 余口，目前处于勘探开发初期，相比于沁南樊庄区块，长治-安 泽区块产能相对较低，开发难度大。在煤层气井生产实践过程中发现，气井在排采过程 中得到的实际解吸压力与根据等温吸附曲线计算得到的临界解吸压力往往不一致， 且不 同区块之间实际解吸压力差异较大，同一区块构造部位，不同井型，不同完井方式条件 下实际解吸压力相差也很大， 甚至区块之间在含气量相近的情况下解吸压力依然相差较 大。目前对实际解吸压力与临界解吸压力的关系，实际解吸压力的影响因素及其影响机 制尚不清楚，以及对于如何利用实际解吸压力指导排采实践尚不明确，已给研究区勘探 开发造成了一定的困难。 鉴于此，本文依托校企合作项目“煤层气解吸-扩散机理剖析及针对性技术研究”， 以华北油田煤层气分公司在沁水盆地