CN110439513B - 一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气田开发技术领域，特别是一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，包括选取待优化柱塞气举井对应区块的多口柱塞气举井的历史生产数据作为训练集样本，将待优化柱塞气举井的生产制度作为测试样本X_Item，计算测试样本X_Item与训练集样本中任意样本的距离；圈定距离最近的k个训练对象，作为测试对象的近邻；根据这k个近邻归属的主要类别，来对测试对象分类；本发明利用本区块或相邻区块的柱塞气举井的数据，以产气量最大为目标，建立基于KNN算法的柱塞气举生产制度优化模型，匹配出最优控制方式和生产制度，实现了生产制度优化的效果。该方法能提高寻求最优的开关井时间和开井油套压，实现产量最大化，提高整体开发效果和经济效益。

Description

一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法

技术领域

本发明属于天然气田开发技术领域，特别是一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法。

背景技术

柱塞气举是利用柱塞作为气体和液体之间的机械界面，地层和油套环空中储层的气体推动柱塞周期性排液，能有效地减少气体上窜和液体回落，减少液体“滑脱”效应，现场试验表面，柱塞气举油套压变化跟生产制度有关。若关井时间较长，油压一直下降，直到柱塞到达井口后会小幅度上升再下降。若关井时间合理，油压会先下降后上升再下降。柱塞气举过程中油套压变化如图2所示。①当气动薄膜阀关闭时，柱塞在自身重力作用下在油管内穿过气液下落到卡定器。关井初期油压恢复较快，之后油压的恢复情况由地层供气能力控制。②柱塞下落到达井下卡定器位置处，液面通过柱塞与油管的间隙上升至柱塞以上聚积。③地面控制器控制薄膜阀打开，套管气和进入井筒内的地层气在油管膨胀，推动柱塞及上部液体离开卡定器开始上升，直到柱塞到达井口。开井后，气体从井口产出，油压迅速降低，柱塞逐渐加速上升；同时套管气进入油管举升柱塞，套压下降。④环空套压迫使柱塞及柱塞以上的液体继续上行。若关井时间较短，柱塞无法到达地面，柱塞及柱塞以上的液体部分到达地面，部分下落到井底；若关井时间合理(见图2-Ⅱ部分)，则由于控制阀节流，油压又开始增加；当柱塞到达井口后，油压会继续增加，套压降到最小值；若关井时间较长(见图2-Ⅰ部分)，则油压和套压一直处于下降，柱塞很快到达地面，但关井时间较长，产量并不一定高，从图上(图2-Ⅰ部分)可看出，瞬时气量迅速下降，比图2-Ⅰ部分产量低。若生产气井自身能量不足，生产一段时间后，套压下降后又会上升，此时井底已经积液，因此开井时间不易过长。⑤根据设置的关井时间，地面控制器控制薄膜阀关闭生产管线，柱塞再次在自身重力作用下开始下落。可见，柱塞气举过程中的生产制度，不仅影响柱塞的顺利起落，也影响井筒中的油套压的恢复，进而影响排液效果。

随着低压低产致密气田的开采，柱塞气举在低压低产井上的应用越来越广泛，曾被认为是低压低产致密气田开采最有效的开采方式。合理的生产制度是柱塞气举排液采气工艺成败的关键性因素，但是，目前柱塞气举排液采气的生产制度的调整，需要技术人员的经验知识对生产状况进行动态分析，不定时地进行人工现场调参，这种方法依赖于工程师的经验知识，受时间、地理位置及气候的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，包括以下步骤：

(1)根据对柱塞气举排液采气生产动态的特征分析，得出影响工艺的不可控因素和可控因素，基于影响柱塞气举效果的因素来建立数据模型以及待优化柱塞气举井的模式矩阵；

(2)通过数据预处理，数据规范化将原始数据处理成算法可以读取的输入值，并计算属性权重和时间权重；

(3)选取待优化柱塞气举井对应区块的多口柱塞气举井的历史生产数据作为训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n；其中，n为柱塞气举井的个数；

将待优化柱塞气举井的生产制度作为测试样本X_Item，

考虑柱塞气举各影响因素的属性权重和时间权重，计算测试样本X_Item与训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n中任意样本的距离d_XItem,X1，d_XItem,X2，d_XItem,X3，…，d_XItem,Xn；

(4)将d_XItem,X1，d_XItem,X2，d_XItem,X3，…，d_XItem,Xn进行排序，取前M个相似的训练集样本，然后得到各相似样本的相似度权重：

A＝[A₁，A₂，A₃，…，A_q]，q＝1,2,3，…，M

从M个相似的样本中选取K个最相似的样本；

(5)对前K个相似的训练集样本进行分析，统计权重次数，根据优化目标，对柱塞气举井生产制度优化。

本发明中，柱塞气举的效率主要受地层参数、柱塞特性参数和生产制度参数的影响，其中地层参数包括井深、地层压力、地层无阻流量等；柱塞特性参数包括柱塞类型、柱塞重量、柱塞外径和卡定器深度；生产制度参数包括开井时间、关井时间、开井油压、开井套压、输气管线压力、油套管规格。将影响柱塞气举生产效率的因素分成两个方面：静态参数和动态参数，静态参数是不可控参数，包括柱塞参数、地质参数，动态参数是可控参数，主要包括开关井时间和开井油套压。本发明中，影响柱塞气举效果的因素主要有：输气管线压力、井底压力、气液比、无阻流量、柱塞重量、循环周期、卡定器下深、液体动力粘度、开井油压、关井油压、开井套压、关井套压、开井时间、关井时间、日产水量、日产气量。在步骤(1)中，根据影响柱塞气举效果的因素建立16维的数据模型。

本申请的发明人发现，柱塞气举数据具有量大、维度高、动态性及多时标性、不完整性和数据异常等特点，若能较好地利用好这些数据，就能更好得地对柱塞气举工作制度进行优化，提高生产效率。而柱塞气举数据的关系非线性化严重，为了从柱塞气举数据中挖掘出其中隐含的规律，本发明利用K近邻算法来研究柱塞气举数据。

K近邻算法即KNN算法，是从训练集中找到和新数据最接近的K条记录，然后根据其主要分类来决定新数据的类别。

1)算距离：给定测试对象，计算它与训练集中的每个对象的距离；距离越近意味着这两个点属于一个分类的可能性越大。距离衡量包括欧式距离、巴氏距离、曼哈顿距离等。本发明采用欧式距离来进行匹配。

2)找邻居：圈定距离最近的k个训练对象，作为测试对象的近邻。

3)做分类：根据这k个近邻归属的主要类别，来对测试对象分类；根据距离的远近，对近邻的投票进行加权，距离越近则权重越大(权重为距离平方的倒数)。

鉴于欧式距离可用于衡量多维空间中两个点的绝对距离，面对柱塞气举这个未知的领域，本发明采用了基本的距离度量方式，即欧式距离。所述的欧式距离指在m维空间中两个点之间的真实距离，或者向量的自然长度(即该点到原点的距离)。在二维和三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离。

n维空间上的两点a(x₁，x₂，…x_n)，b(y₁，y₂，…y_n)的欧式距离为d_ab，且：

由于前文分析得出柱塞气举的影响因素主要有16个，故建立数据模型时采用16维的欧式距离来计算，这也符合欧式距离衡量多维空间两点距离的特性。也即，在步骤(3)中，测试样本X_Item与训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n中任意样本的距离的衡量采用欧式距离。

具体的，在权重设置中，设某层次分析结构模型中的准则层有n个指标，即G1，G2，…，Gn，各指标的权重分别为W1，W2，…，Wn，且W1+W2+…+Wn＝1为构造判断矩阵，先将准则层中各项指标进行两两比较，再利用三标度法构造如下所示的比较矩阵：

其中：

标度矩阵可通过数学换算得到各个指标的重要程度。

(1)求出C的最优传递矩阵O：

其中：

(2)将最优传递矩阵O转化为一致性矩阵D：

其中：d_ij＝exp{O_ij}。

(3)求D的特征向量W。

由方根法可求得W＝[W₁，W₂，…，W_n]^T，即表示各指标的权重。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明提供的柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，利用本区块或相邻区块的柱塞气举井的数据，以产气量最大为目标，建立基于KNN算法的柱塞气举生产制度优化模型，匹配出最优控制方式和生产制度，实现了生产制度优化的效果。该方法能提高寻求最优的开关井时间和开井油套压，实现产量最大化，提高整体开发效果和经济效益。

附图说明

图1为实施例1中当前井的日产气量与日产水量的变化趋势图；

图2为不同关井时间下柱塞气举油套压变化的示意图；

图3为权重设置的示意图；

图4为基于KNN算法思想的算法编写。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图及实施例，进一步阐明本发明。

本申请的发明人通过大量的生产实践，并分析了关井时间长短对柱塞气举生产参数的影响，若关井时间较长，柱塞到达地面较快，但产量不一定能得到提高。若开井续流时间较长，则油套压差可能增大，气井易积液，因此合理的生产制度是柱塞气举高效生产的保障。而且，随着柱塞气举工艺的推广和数字油田技术的发展，积累了海量的柱塞气举数据，这些数据常常没有较好的得到应用。

针对以上问题，本申请的发明人分析了影响柱塞气举效率的因素，利用本区块或相邻区块的柱塞气举井的数据，以产气量最大为目标，建立基于KNN算法的柱塞气举生产制度优化模型，匹配出最优控制方式和生产制度，实现了生产制度优化的效果。该方法能提高寻求最优的开关井时间和开井油套压，实现产量最大化，提高整体开发效果和经济效益。

实施例1

针对某区块，以该区块的100口柱塞气举井的历史生产数据作为样本，建立数据模型，并选取某口井(A11井)的10天生产数据，考虑属性权重和时间权重，计算各样本数据与A11井的欧式距离，根据距离越小相似度权重越大的原则筛选出10个样本，根据投票法得出A11井的第11天的生产控制方式，以产气量最大化为目标，对该井进行生产制度优化。

S1：数据模型建立

选取建立模式矩阵的16个参数作为指标，在历史数据中，挑选了单井某个日期的井状态参数作为参考，控制方式主要有时间和压力控制，数字“1”代表压力控制，数字“2”代表时间控制。表1所示为部分历史井的可控因素数据，表2所示为部分历史井的不可控因素数据。表3所示为程序输入值A11井的不可控因素数据，表4所示为程序输入值A11井的可控因素。

表1部分历史井的可控因素数据

表2部分历史井的不可控因素数据

表3 A11井不可控因素数据

表4 A11井可控因素数据

S2：数据处理

采用线性函数归一化进行数据规范化，处理后的数据如表5和表6所示。

表5部分历史井的可控因素数据

表6部分历史井的不可控因素数据

S3：权重计算

S3.1属性权重

根据三标度法计算出各状态参数所占权重，权重按等级1-10来判定，重要程度从1至10依次递增。例如，10表示最重要，1表示最不重要。具体权重值见下表7和表8：

表7属性权重表

对权重值进行计算处理，得到下表：

表8属性权重计算结果表

其中，M₁为输气管线压力，MPa；M₂为井底压力，MPa；M₃为气液比，10⁴m³/m³；M₄为无阻流量，10⁴m³/d；M₅为柱塞重量，kg；M₆为循环周期，次；M₇为卡定器下深，m；M₈为液体动力粘度，mPa·s；M₉为开井油压，MPa；M₁₀为关井油压，MPa；M₁₁为开井套压，MPa；M₁₂为关井套压，MPa；M₁₃为开井时间，h；M₁₄为关井时间，h；M₁₅为日产水量，m³/d；M₁₆为日产气量，10⁴m³/d。

S3.2时间权重

对A11井在与历史数据进行比较匹配时，时间的远近对匹配的影响程度不同，时间越近，影响越大，反之，时间越远，影响则小。将第一天的权重定义为T₁，则第n天的权重表示为Tn，定义：

T₁＝n/(1+2+3+...+n),T₂＝(n-1)/(1+2+3+...n),...Tn＝1/(1+2+3+...+n)

由于当前井的参数选取了10天的数据，故n＝10，计算权重得出以下结果：

表9时间权重计算结果表

S4：KNN算法实现

由于输入了A11井10天的数据，生产时间的远近会对结果造成不同的影响，故设置时间权重，分别将属性权重和时间权重放入两个不同的数组，方便读取，权重设置如图3所示。

利用Apache POI开放源码函式库读取数据，依次计算距离，筛选邻居，投票表决，得出当前井所需的第11天控制方式，进而计算出优化结果。距离计算如图4所示。

S5：效果分析

以产气量最大为生产目标，对A11井10天生产数据的控制方式进行相似度分析，匹配结果如表10。

表10控制方式匹配结果数据表

因此对该井适宜选用时间优化模式，将推荐参数与A11井的实际生产参数进行对比来验证该推荐方法的科学性，对比结果如表11所示。

表11匹配结果与实际生产数据对比表

绘制当前井的日产气量与日产水量变化如图1所示。

分析A11井10天与优化调整后的日产气量/日产水量对比图可知，调整后产水量与产气量明显上升，关井时间有所缩短，实现了对井的最大化利用，增产效率得到提升。证明了本发明提供的柱塞气举排液采气生产制度的优化方法具有科学性和合理性，可应用于实际生产。

本发明提供的柱塞气举排液采气生产制度的优化，将影响柱塞气井生产效率的因素分为可控因素和不可控因素，在生产制度优化时只能优化可控因素，如开关井时间和开关井油套压；通过建立基于KNN的柱塞气举优化模型，在历史数据中优选出与模式矩阵相似的矩阵，通过对相似矩阵的分析，以最大产气量为目标进行生产参数优化，确定优化方式、开井时间及关井时间，对柱塞气举井进行生产制度优化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据对柱塞气举排液采气生产动态的特征分析，得出影响工艺的不可控因素和可控因素，基于影响柱塞气举效果的不可控因素和可控因素来建立数据模型以及待优化柱塞气举井的模式矩阵；

(2)通过数据预处理，数据规范化将原始数据处理成算法可以读取的输入值，并计算属性权重和时间权重；

根据三标度法计算出各状态参数所占属性权重，属性权重按等级1-10来判定，重要程度从1至10依次递增；

将第一天的时间权重定义为T1，第n天的时间权重定义为Tn，定义：T1＝n/(1+2+3+...+n),T2＝(n-1)/(1+2+3+...n),...Tn＝1/(1+2+3+...+n)；

(3)选取待优化柱塞气举井对应区块的多口柱塞气举井的历史生产数据作为训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n；其中，n为柱塞气举井的个数；

将待优化柱塞气举井的生产制度作为测试样本X_Item，

考虑柱塞气举各不可控因素和可控因素的属性权重和时间权重，计算测试样本X_Item与训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n中任意样本的欧式距离d_XItem,X1，d_XItem,X2，d_XItem,X3，…，d_XItem,Xn；

(4)将d_XItem,X1，d_XItem,X2，d_XItem,X3，…，d_XItem,Xn进行排序，取前M个相似的训练集样本，然后得到各相似样本的相似度权重：

A＝[A₁，A₂，A₃，…，A_q]，q＝1,2,3，…，M

采用K近邻算法从M个相似的样本中选取K个最相似的样本；

(5)对前K个相似的训练集样本进行分析，统计权重次数，根据优化目标，对柱塞气举井生产制度优化。

2.根据权利要求1所述的柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，其特征在于，影响柱塞气举效果的因素有：输气管线压力，井底压力，气液比，无阻流量，柱塞重量，循环周期，卡定器下深，液体动力粘度，开井油压，关井油压，开井套压，关井套压，开井时间，关井时间，日产水量，日产气量；

在步骤(1)中，根据影响柱塞气举效果的因素建立16维的数据模型。

3.根据权利要求1所述的柱塞气举排液采气生产制度的优化方法，其特征在于，步骤(3)中，测试样本X_Item与训练集样本X₁，X₂，X₃，…，X_n中任意样本的距离的衡量采用欧式距离。

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