CN114263457B - 一种煤层气井产气模拟平台及产量分析预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤层气井产气模拟平台及产量分析预测方法，可以通过改变煤层气井产气模拟平台内部压强来模拟不同深度的煤层气井产气层产气条件，再对气泡、温度和压强进行高频数据采集，得到不同排气量下的不同数据，将这些数据导入至BP神经网络中进行机器学习，即可得到气泡体积预测模型，最后将煤层气井中采集到的不同产气层的实测数据导入至气泡体积预测模型中，便可获得该煤层气井中不同产气层的产气量及贡献比，依此来制定更加合理的排采参数和排采计划。本发明可以解决现有技术中煤层气井产气层排气量检测不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气采集技术领域，尤其涉及一种煤层气井产气模拟平台及产量分析预测方法。
背景技术
多层开采是开采煤层气的常用方法，根据不同产气层的产气量和贡献比，从而决定排采施工的参数，这是提高煤层气产气效率的重要步骤。
但是，目前测定不同产气层的产气量较为困难。针对该问题，已有研究提出的方法主要是研制气泡传感器，根据传感器接触气泡时间的长短，来判定气泡的大小，从而估算出该产气层的含气量。但这种方法是基于气泡形状为圆形而做出的计算，而实际在煤层气产出过程中，气泡形状繁多，大多数气泡均为长条形，甚至是围绕钻杆形成的环形等形状，所以气泡体积计算误差较大，导致各产气层的产量检测不准确。
发明内容
本发明提供一种煤层气井产气模拟平台及产量分析预测方法，用来解决现有技术中各产气层产量检测不准确的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种煤层气井产气模拟平台，包括：一种煤层气井产气模拟平台，包括：气体产生装置、模拟钻杆、数据采集接头、外筒、压力开关控制器和电磁阀门，
所述数据采集接头连接在所述模拟钻杆的下表面，且所述模拟钻杆和所述数据采集接头设在所述外筒的内部，所述模拟钻杆远离所述数据采集接头的一端固定连接在所述外筒的内顶面上，所述压力开关控制器和所述电磁阀门分别连接在所述外筒的外顶面的两侧，所述气体产生装置通过管道与所述外筒的内部连通；
所述压力开关控制器与所述电磁阀门电连接，所述压力开关控制器发送信号给所述电磁阀门，以用于控制所述外筒与所述模拟钻杆之间的压力；
所述气体产生装置模拟产生产气层的发生气泡经管道输送至所述外筒内，所述数据采集接头包括气泡传感器，所述气泡传感器用于感测所述外筒内对应深度处的气泡数据。
进一步的，所述数据采集接头还包括钻杆接头、温度传感器、压力传感器、和数据采集卡，所述温度传感器、所述压力传感器和所述气泡传感器分别与所述数据采集卡电性连接。
进一步的，所述钻杆接头的侧壁开设有凹槽，所述气泡传感器、所述温度传感器、所述压力传感器和所述数据采集卡胶封在所述钻杆接头的凹槽内，且所述气泡传感器的探头和所述压力传感器的引压孔裸露在外表面。
进一步的，所述气体产生装置包括空压机、导气管和气体流量计，所述导气管的一端与所述空压机连接，另一端连接至所述外筒与所述模拟钻杆的内部空间，所述导气管还串联连接有所述气体流量计。
进一步的，所述导气管穿过所述气体流量计的一端形成第一支气管和第二支气管，所述外筒的底部侧壁分别设有两个连接口，所述第一支气管和所述第二支气管分别对应连接在所述连接口上。
进一步的，还包括上位机，所述上位机与所述数据采集卡电性连接。
进一步的，所述外筒的顶部侧壁设有连接孔，所述数据采集卡的第一电缆线穿过所述连接孔与所述上位机电性连接。
进一步的，所述连接孔还涂有密封胶。
本发明还提供了煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，包括以下步骤：
S1:获取样本训练集：在固定时间内，所述样本训练集由以气泡传感器、温度传感器和压力传感器采集到的数据为自变量，以气体体积为因变量的训练样本对构成，所述训练样本对采用煤层气井产气模拟平台获取；
S2:建立气泡体积预测模型：采用所述样本训练集训练气泡体积预测模型，得到训练好的气泡体积预测模型；
S3:获取待预测的输入数据：由数据采集接头在煤层气井中获取待预测的输入数据；
S4:获取煤层气产量实测数据：将所述待预测的输入数据输入至所述训练好的气泡体积预测模型，得到与所述待预测的输入数据对应的气体体积。
进一步的，所述步骤S1中，所述获取样本训练集的具体步骤包括：
S11：向煤层气井产气模拟平台中加入80％的水，设置压力开关控制器的压强的上限和下限，以用来模拟产气层处的压强；
S12：打开气体产生装置开始充入空气，直至装置内部的压强稳定在所述压力开关控制器的压强上限和下限之间，调整气体产生装置的产气速率至所需测试的产气速率范围的最小值；
S13：向数据采集卡发送开始采集信号，采集时间2分钟后，向数据采集卡35发送停止采集信号，关闭气体产生装置1；
S14：数据上传结束后，向数据采集卡发送数据擦除信号；
S15：将所述气体产生装置的产气速率逐档提高至产气速率所需测试的产气速率范围的最大值，并且每档调整后重复步骤S13-S14；
S16：运行数据预处理程序，获取产气层处的样本集。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
1、煤层气井产气模拟平台通过空压机产生的空气来模拟地下产气层，通过对密闭环形空间加压模拟产气层位置压力，使用棒材模拟钻杆，使用带有多个传感器和数据采集卡的钻杆接头采集气泡信息，使用气体流量计记录气泡真实体积，再将若干组以固定时间内各传感器采集到的数据为自变量、以气体体积为因变量的训练样本输入至气泡体积预测模型，得到训练好的气泡体积预测模型，然后将带有多个传感器和数据采集卡的钻杆接头下入目标煤层气井中获取煤层气气泡数据，最终将获取到的煤层气气泡数据作为输入，输入至训练好的气泡体积预测模型中，即可获得该煤层气井各产气层的煤层气预测产量。
2、本发明可以实现对煤层气井各产气层产气量的精准预测，解决现有技术中各产气层产量检测不准确的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中煤层气井产气模拟平台的结构示意图；
图2为本发明实施例中数据采集接头的结构示意图；
图3为本发明实施例中煤层气井的产量分析预测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中煤层气井产量分析预测方法步骤S1的详细流程示意图；
图5为本发明实施例中煤层气井产量分析预测方法步骤S3的详细流程示意图；
图6为本发明实施例中煤层气井产量分析预测方法步骤S4的详细流程示意图。
附图标记：
1-气体产生装置，11-空压机，12-导气管，121-第一支气管，122-第二支气管，13-气体流量计，2-模拟钻杆，3-数据采集接头，31-气泡传感器，32-钻杆接头，33-温度传感器，34-压力传感器，35-数据采集卡，4-外筒，5-压力开关控制器，6-电磁阀门，7-上位机，8-第一电缆线，9-第二电缆线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅图1-2所示，本发明实施例提供了一种煤层气井产气模拟平台，包括：气体产生装置1、模拟钻杆2、数据采集接头3、外筒4、压力开关控制器5和电磁阀门6，
其中，数据采集接头3连接在模拟钻杆2的下表面，且模拟钻杆2和数据采集接头3设在外筒4的内部，模拟钻杆2远离数据采集接头3的一端固定连接在外筒4的内顶面上，压力开关控制器5和电磁阀门6分别连接在外筒4的外顶面的两侧，气体产生装置1通过管道与外筒4的内部连通；
压力开关控制器5与电磁阀门6电连接，压力开关控制器5发送信号给电磁阀门6，以用于控制外筒4与模拟钻杆2之间的压力；
气体产生装置1模拟产生产气层的发生气泡经管道输送至外筒4内，数据采集接头3包括气泡传感器31，气泡传感器31用于感测外筒4内对应深度处的气泡数据。
具体在本实施例中，请参阅图1所示，煤层气井产气模拟平台由气体产生装置1、模拟钻杆2、数据采集接头3、外筒4、压力开关控制器5和电磁阀门6组成。
其中，压力开关控制器5和电磁阀门6固定在外筒4的上端盖上表面，压力开关控制器5和电磁阀门6通过第二电缆线9电性连接，模拟钻杆2固定在外筒4的上端盖的下表面，且位于外筒4的内部，外筒4用于模拟煤层气井中的井壁，模拟钻杆2用于模拟煤层气井中的钻杆，压力开关控制器5可以在装置内部压强达到上限和下限时，分别通过电缆线向电磁阀门6发送打开阀门和关闭阀门的信号，在不断被充入空气的情况下，以此来保持煤层气井产气模拟平台装置的内部压强稳定。
电磁阀门6用于调节体系内的压力，压力开关控制器5用于控制体系内压力，当体系内的压力超过设定压力上限时，给电磁阀门6发送打开阀门信号，开始泄压；当体系内的压力低于设定压力下限时，给电磁阀门6发送关闭阀门信号。
数据采集接头3通过螺纹连接固定在模拟钻杆2的下方，且同样位于外筒4的内部，气体产生装置1连接至外筒4的底部侧壁的2个连接口处，并作胶封处理。
由此，通过气体产生装置1产生的空气来模拟地下产气层，通过对外筒4和模拟钻杆2之间的密闭环形空间加压模拟产气层的位置压力，使用棒材模拟钻杆，使用数据采集接头3来采集气泡信息。
具体地，请参阅图2所示，在本发明的实施例当中，数据采集接头3还包括钻杆接头32、温度传感器33、压力传感器34和数据采集卡35，温度传感器33、压力传感器34和气泡传感器31分别与数据采集卡35电性连接。
由此，温度传感器33用于测量对应深度处的气体温度，压力传感器34用于测量对应温度处的气体压力，温度传感器33和压力传感器34分别与数据采集卡35连接，可将采集的气体温度、压力数据上传到数据采集卡35上进行存储。
具体地，请参阅图2所示，钻杆接头32的侧壁开设有凹槽，气泡传感器31、温度传感器33、压力传感器34和数据采集卡35胶封在钻杆接头32的凹槽内，并且气泡传感器31的探头和压力传感器34的引压孔裸露在外表面。
由此，通过将温度传感器33、压力传感器34和数据采集卡35放置在钻杆接头32的凹槽内，在随钻杆对地下钻探过程中，可随钻杆接头32同步移动，并且还可避免温度传感器33、压力传感器34和数据采集卡35损坏。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，气体产生装置1包括空压机11、导气管12和气体流量计13，导气管12的一端与空压机11连接，另一端连接至外筒4与模拟钻杆2的内部环形空间，导气管12还串联连接有气体流量计13。
由此，通过气体产生装置1模拟地下产气层，空压机11用于产生的空气经导气管12输入到外筒4与模拟钻杆2的内部环形空间，用于实现模拟地下对应深度处的气体压强、温度等数据，气体流量计13还用于模拟测量对应深度处的煤层气井气体产量，记录气体流量及体积。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，导气管12穿过气体流量计13的一端形成第一支气管121和第二支气管122，外筒4的底部侧壁分别设有两个连接口41，第一支气管121和第二支气管122分别对应连接在连接口41上。
由此，通过在外筒4的两侧对称设有两个连接口41，分别通过第一支气管121和第二支气管122向外筒4与模拟钻杆2形成的内部环形空间内进行输气，保证环形空间内气泡发生更加均匀。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，煤层气井产气模拟平台还包括上位机7，上位机7与数据采集卡35电性连接。
由此，通过上位机7可将数据采集卡35上存储的气体测量数据导出，便于工程技术人员查看、分析和记录。
具体地，请参阅图1所示，在本发明的实施例当中，外筒4的顶部侧壁设有连接孔42，数据采集卡35的第一电缆线8穿过连接孔42与上位机7电性连接。
由此，通过连接孔42的设置，便于通过第一电缆线8将数据采集卡35与上位机7电性连接，可实现数据的输出。
具体地，在本发明的实施例当中，连接孔42还涂有密封胶。
由此，为保证外筒4与模拟钻杆2之间的内部环形空间的气体环境，针对连接孔42涂敷密封胶，保证所需的气体测量环境。
至此，煤层气井产气模拟平台搭建完毕。
如图3所示，本发明的实施例还提供一种煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，所述方法包括如下步骤：
S1:获取样本训练集；
在固定时间内，样本训练集由以气泡传感器31、温度传感器33和压力传感器34采集到的数据为自变量，以气体体积为因变量的训练样本对构成，训练样本对采用煤层气井产气模拟平台获取；
具体地，请参阅图4所示，在本发明的实施例当中，所述步骤S1的具体步骤如下：
步骤S11：打开气体产生装置1开始充入空气，直至装置内部的压强稳定在压力开关控制器5的压强上限和下限之间，调整气体产生装置1的产气速率至所需测试的产气速率范围的最小值；
步骤S12：打开气体产生装置1开始充入空气，直至装置内部的压强稳定在压力开关控制器5的压强上限和下限之间，调整气体产生装置1的产气速率至所需测试的产气速率范围的最小值；
步骤S13：向数据采集卡35发送开始采集信号，采集时间2分钟后，向数据采集卡35发送停止采集信号，关闭气体产生装置1；
步骤S14：数据上传结束后，向数据采集卡35发送数据擦除信号；
步骤S15：将气体产生装置1的产气速率逐档提高至产气速率所需测试的产气速率范围的最大值，并且每档调整后重复步骤S13-S14；
步骤S16：运行数据预处理程序，获取产气层处的样本集。
S2:建立气泡体积预测模型：采用样本训练集训练气泡体积预测模型，得到训练好的气泡体积预测模型；
由此，气泡体积预测模型是以固定时间内气泡传感器31、温度传感器33和压力传感器34采集到的数据为输入，以气体体积为输出的BP神经网络模型。
S3:获取待预测的输入数据；
所述获取待预测的输入数据的具体步骤如下：
S31：制作数据采集接头3，通过钻杆(此处为真实的钻杆，而非模拟钻杆，模拟钻杆在室内实验时使用，在工程实际中需采用真实的钻杆将数据采集接头下入至目标层位)连接后下入煤层气井中的对应深度处；
S32：通过上位机7向数据采集接头3发送指令，采集数据60分钟后停止采集，并上传数据、删除数据；
S33：等待24小时后重复步骤S32，重复n次，得到对应产气层处的数据集；
S4:获取煤层气产量实测数据：将待预测的输入数据输入至训练好的气泡体积预测模型，得到与待预测的输入数据对应的气体体积。
所述获取煤层气产量实测数据的具体步骤如下：
S41:将实测数据导入数据预处理程序；
S42:将处理后的产气层待预测的输入数据作为输入，输入至训练好的气泡体积预测模型中，将所有输出求和后除以7，即为产气层的每小时煤层气产量。
由此，煤层气井产气模拟平台通过空压机11产生空气来模拟地下产气层；通过对密闭环形空间加压模拟产气层位置压力；使用棒材模拟钻杆；使用带有多个传感器和数据采集卡的钻杆接头32来采集气泡信息；使用气体流量计13记录气泡真实体积；再将若干组以固定时间内各传感器采集到的数据为自变量，以气体体积为因变量的训练样本对，输入至气泡体积预测模型，得到训练好的气泡体积预测模型，然后将带有多个传感器和数据采集卡的钻杆接头32下入目标煤层气井中获取煤层气的气泡数据，最终将获取到的煤层气气泡数据作为输入，输入至训练好的气泡体积预测模型中，即可获得该煤层气井各产气层的煤层气预测产量。
本发明实施例可以实现对煤层气井各产气层产气量的精准预测，解决现有技术中各产气层产量检测不准确的问题。
下面结合实施例进行详细介绍：
在本实施例中，分别进行了1#层的样本训练集和2#层的样本训练集的采集工作，然后分别使用1#层的样本训练集和2#层的训练样本集训练气泡体积预测模型，得到1#层的气泡体积预测模型和2#层的气泡体积预测模型。
本实施例中待测煤层气井的产气层有2层，分别为1#层和2#层，1#层位于地下870米处，2#层位于地下1130米处，总产量约为500m3/天。可算得，1#层位处压强为8.7Mpa，2#层位处压强为11.3MPa，所以煤层气井产气模拟平台压强需要分别设置为8.7Mpa左右和11.3MPa左右。
另外，根据日产量可算得，两层产气层的产气量共计347L/min，即单层产气层产气量小于等于347L/min，所以将煤层气井产气模拟平台的模拟产气量分为十个等级，即35L/min、70L/min、105L/min、140L/min、175L/min、210L/min、245L/min、280L/min、315L/min、350L/min。
步骤一：向煤层气井产气模拟平台中加入80％的水，并将压力开关控制器5的压强的上限设置为8.8MPa，下限设置为8.6MPa，以用来模拟1#层产气层处的压强；
步骤二：打开气体产生装置1开始充入空气，直至装置内部的压强稳定8.6MPa至8.8MPa之间，调整气体产生装置1的产气速率为35L/min；
步骤三：将第一个数据采集接头3下入到地下860米处，并采用第一电缆线8与上位机7电连接；
步骤四：通过上位机7向第一个数据采集接头3发送指令，采集数据60分钟后停止采集，并上传数据、删除数据；
步骤四：等待24小时后重复步骤三，重复6次，得到1#层产气层处的数据集。
同样地，对于2#层产气层处的样本训练集，其步骤如下：
步骤一：需将压力开关控制器5的压强上限设置为11.4MPa，下限设置为11.2MPa，以来模拟2#层产气层处的压强；
步骤二：将第二个数据采集接头3下到地下1120处，并采用第一电缆线8与上位机7电连接；
步骤三：通过上位机7向第二个数据采集接头3发送指令，采集数据60分钟后停止采集，并上传数据、删除数据；
步骤四：等待24小时后重复步骤三，重复6次，得到2#层产气层处的数据集。
紧接着进行数据预测，数据预测的具体步骤如下：
步骤一：将实测数据导入数据预处理程序；
步骤二：将处理后的2#层实测数据作为输入，输入至训练好的气泡体积预测模型中，将所有输出求和后除以7，即为2#层每小时煤层气产量；
步骤三：将处理后的1#层实测数据作为输入，输入至训练好的气泡体积预测模型中，将所有输出求和后除以7，再减去2#层每小时煤层气产量，即为1#层每小时煤层气产量。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述煤层气井产气模拟平台包括：气体产生装置（1）、模拟钻杆（2）、数据采集接头（3）、外筒（4）、压力开关控制器（5）和电磁阀门（6），
所述数据采集接头（3）连接在所述模拟钻杆（2）的下表面，且所述模拟钻杆（2）和所述数据采集接头（3）设在所述外筒（4）的内部，所述模拟钻杆（2）远离所述数据采集接头（3）的一端固定连接在所述外筒（4）的内顶面上，所述压力开关控制器（5）和所述电磁阀门（6）分别连接在所述外筒（4）的外顶面的两侧，所述气体产生装置（1）通过管道与所述外筒（4）的内部连通；
所述压力开关控制器（5）与所述电磁阀门（6）电连接，所述压力开关控制器（5）发送信号给所述电磁阀门（6），以用于控制所述外筒（4）与所述模拟钻杆（2）之间的压力；
所述气体产生装置（1）模拟产生产气层的发生气泡经管道输送至所述外筒（4）内，所述数据采集接头（3）包括气泡传感器（31），所述气泡传感器（31）用于感测所述外筒（4）内对应深度处的气泡数据；
所述数据采集接头（3）还包括钻杆接头（32）、温度传感器（33）、压力传感器（34）、和数据采集卡（35），所述温度传感器（33）、所述压力传感器（34）和所述气泡传感器（31）分别与所述数据采集卡（35）电性连接；
所述产量分析预测方法包括以下步骤：
S1:获取样本训练集：在固定时间内，所述样本训练集由以气泡传感器（31）、温度传感器（33）和压力传感器（34）采集到的数据为自变量，以气体体积为因变量的训练样本对构成，所述训练样本对采用煤层气井产气模拟平台获取；
S2:建立气泡体积预测模型：采用所述样本训练集训练气泡体积预测模型，得到训练好的气泡体积预测模型；
S3:获取待预测的输入数据：由数据采集接头（3）在煤层气井中获取待预测的输入数据；
S4:获取煤层气产量实测数据：将所述待预测的输入数据输入至所述训练好的气泡体积预测模型，得到与所述待预测的输入数据对应的气体体积。
2.根据权利要求1所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述钻杆接头（32）的侧壁开设有凹槽，所述气泡传感器（31）、所述温度传感器（33）、所述压力传感器（34）和所述数据采集卡（35）胶封在所述钻杆接头（32）的凹槽内，且所述气泡传感器（31）的探头和所述压力传感器（34）的引压孔裸露在外表面。
3.根据权利要求1所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述气体产生装置（1）包括空压机（11）、导气管（12）和气体流量计（13），所述导气管（12）的一端与所述空压机（11）连接，另一端连接至所述外筒（4）与所述模拟钻杆（2）的内部空间，所述导气管（12）还串联连接有所述气体流量计（13）。
4.根据权利要求3所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述导气管（12）穿过所述气体流量计（13）的一端形成第一支气管（121）和第二支气管（122），所述外筒（4）的底部侧壁分别设有两个连接口（41），所述第一支气管（121）和所述第二支气管（122）分别对应连接在所述连接口（41）上。
5.根据权利要求1所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，还包括上位机（7），所述上位机（7）与所述数据采集卡（35）电性连接。
6.根据权利要求5所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述外筒（4）的顶部侧壁设有连接孔（42），所述数据采集卡（35）的第一电缆线（8）穿过所述连接孔（42）与所述上位机（7）电性连接。
7.根据权利要求6所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述连接孔（42）还涂有密封胶。
8.根据权利要求1所述的煤层气井产气模拟平台的产量分析预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述获取样本训练集的具体步骤包括：
S11：向煤层气井产气模拟平台中加入80%的水，设置压力开关控制器（5）的压强的上限和下限，以用来模拟产气层处的压强；
S12：打开气体产生装置（1）开始充入空气，直至装置内部的压强稳定在所述压力开关控制器（5）的压强上限和下限之间，调整所述气体产生装置（1）的产气速率至所需测试的产气速率范围的最小值；
S13：向数据采集卡（35）发送开始采集信号，采集时间2分钟后，向所述数据采集卡（35）发送停止采集信号，关闭所述气体产生装置（1）；
S14：数据上传结束后，向所述数据采集卡（35）发送数据擦除信号；
S15：将所述气体产生装置（1）的产气速率逐档提高至产气速率所需测试的产气速率范围的最大值，并且每档调整后重复步骤S13-S14；
S16：运行数据预处理程序，获取产气层处的样本集。
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