CN114658390B - 一种煤层气井排采控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种煤层气井排采控制方法及系统，简化了排采控制的计算流程，并且提高了井底流压动压调节的可靠性和稳定性。该方法包括：根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气井排采技术领域，更具体地说，涉及一种煤层气井排采控制方法及系统。
背景技术
煤层气井排采，就是对煤层气井进行排水降压，气体解吸，从而达到产气的目的。各排采阶段的井底流压分析和控制是核心工作，尤其在排采初期如果排采控制不当，容易造成应力闭合、煤粉堵塞、地层气锁等伤害。
排采控制的难点主要体现在：煤层气井排采周期长、临界解吸压力不易控制、液面波动对气量影响大等。针对上述排采控制难点，现有技术提出了“双环三控法”排采控制策略。该排采控制策略以控制动液面为核心，通过对煤层气井井底流压和井口套压的双闭环控制以及控降液、控流压及控套压等3种控制策略，实现了煤层气井从降液、解吸至产气等不同阶段的排采控制。但是，该排采控制策略涉及嘴流压降模型、井筒压降模型和射孔段压降模型等多种模型，计算复杂，工作量大，而且不能准确地实现从井口压力到井底流压的转换，致使井底流压动压调节的可靠性和稳定性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种煤层气井排采控制方法及系统，以简化排采控制的计算流程，并且提高井底流压动压调节的可靠性和稳定性。
一种煤层气井排采控制方法，包括：
根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；
根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；
基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压。
可选的，所述确定井底流压的压降模式，包括：
从线性压降和指数降压两种压降模式中选择一种，作为井底流压的压降模式。
可选的，所述根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型，包括：
根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量对应关系模型。
可选的，所述对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练，包括：
在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差。
可选的，FAST CBM软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和调整拟合参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层厚度、煤层密度、温度、原始储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、含气量、废弃压力、束缚水饱和度、残余气饱和度、水曲线指数和气曲线指数；
所述生产数据包括：排采时间、产气量、产水量、输压、套压和井底流压；
所述调整拟合参数包括：初始孔隙度、初始渗透率、表皮系数和排泄面积。
可选的，Comsol软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和控制参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层密度、储层温度、原始储层压力、当前储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、初始孔隙度、初始渗透率、流体密度、流体可压缩性、流体动力粘度和渗透率与压力关系；
所述生产数据包括：排采时间、累计产气量和井底流压；
所述控制参数包括：压力-时间关系。
一种煤层气井排采控制系统，包括：
压降模式确定单元，用于根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；
模型构建单元，用于根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
模型训练单元，用于对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；
调压单元，用于基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压；
所述煤层气井排采控制系统包括处理器和存储器，上述压降模式确定单元、模型构建单元、模型训练单元、调压单元均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
可选的，所述压降模式确定单元，具体用于根据煤层气井的煤体结构，从线性压降和指数降压两种压降模式中选择一种，作为井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式。
可选的，所述模型构建单元具体用于根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量对应关系模型。
可选的，所述模型训练单元具体用于在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差。
从上述的技术方案可以看出，本发明通过对井底流压-进口气量进行转换，根据井口气量来实现对煤层气井的排采控制，简化了井底-井筒-井口压力耦合模型转换和计算流程，避免了现有技术中从井口压力到井底流压的转换过程，从而提高了井底流压动压调节的可靠性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种煤层气井排采控制方法流程图；
图2为k取值为20时对应的线性压降变化情况示意图；
图3为m取值为-0.002时对应的指数压降变化情况示意图；
图4为累产气量与时间的对应关系示意图；
图5为日产气量与时间对应关系示意图；
图6为本发明实施例公开的一种煤层气井排采控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例公开了一种煤层气井排采控制方法，包括：
步骤S01：根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式。
具体的，煤体结构是指煤层经过地质构造变动后煤的结构和构造的保留程度。煤层遭受的构造破坏愈强烈，煤就愈破碎，煤的原生结构和构造保留得也愈差，因而煤层结构呈现出不同的变化。根据煤层所受构造破坏程度不同，煤体结构可划分为多种类型，例如按照从大到小的顺次，将煤体结构依次划分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构、糜棱结构四种类型。
煤层气井排采过程中，对井底流压的压降控制有多种压降模式可供选择，例如线性降压、阶梯降压、抛物线降压、指数降压、对数降压等。最宜选用哪一种压降模式取决于煤体结构，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式。
举例说明，针对煤层气井排采工作，可事先规定好煤体结构的分类以及井底流压压降模式的可选类型，例如事先规定为：根据煤层所受构造破坏程度不同，按照从大到小的顺次，将煤体结构划分为两种类型；煤层气井井底流压的压降模式有线性降压和指数降压两种可选类型。
其中，线性压降的表达式为：
p＝p0-kt (1)
指数压降的表达式为：
p＝p0emt (2)
式(1)～式(2)中：p为模拟降压阶段井底流压，单位kpa；p0为当前井底流压，单位kpa；t为模拟天数，单位day，k与m均为压降系数。
假设k取值为20、m取值为-0.002。k取值为20时对应的线性压降变化情况如图2所示，m取值为-0.002时对应的指数压降变化如图3所示。以图2和图3示出的线性压降和指数压降为例，相比指数压降，线性压降降速比较缓，因而线性压降更适用于煤体结构较碎的煤层气井。
步骤S02：根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型。
具体的，可根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量映射关系模型。
其中，基质质量平衡方程为：
式中：为基质孔隙度，单位％；Pm为基质孔压，单位MPa；M为摩尔质量，单位g/mol；R为比例常数，无量纲；T为储层温度，单位K；ka为基质渗透率，单位md；μ为动力粘度，单位N·s/㎡；Qkm为产出的气体总量，单位m3；Qmf为基质孔隙与天然裂隙的气体质量交换量，单位m3。
裂隙质量平衡方程为：
式中：为基质孔隙度，％；Pf为裂隙压力，MPa；M为摩尔质量，g/mol；Z为气体压缩因子，无量纲；R为比例常数，无量纲；T为储层温度，K；ρf为气体密度，kg/m3；kf为裂隙渗透率，md；μ为动力粘度，N·s/㎡；Qmf为基质孔隙与天然裂隙的气体质量交换量，m3。
物质交换方程为：
Qmf＝amfDmf(ρm-ρf)
式中：Qmf为基质孔隙与天然裂隙的气体质量交换量，m3；amf为影响因子，Dmf为煤基质的气体扩散系数，m2/t；ρm为煤基质密度，kg/m3；ρf为气体密度，kg/m3。
力学本构方程为：
式中：G为煤体剪切模量，MPa；v为泊松比；u为煤体骨架位移；δ为克罗内克符号；Pm为基质孔压，MPa；β为比奥系数，无量纲；Pf为裂隙压力，Mpa。
气固耦合方程为：
式中：K为体积模量，Mpa；εL为煤体膨胀/收缩应变，无量纲；Pk,i为i方向的孔隙流体压力；PL为朗格缪尔压力，MPa；Pk为孔隙流体压力，MPa；fi为i方向的体积力，MPa/m。
步骤S03：对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练。
具体的，井底流压与井口气量对应关系模型建立后，需根据数据集对其进行训练，以提高计算精度。比如说，在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，可利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟(相关参数如表1和表2所示)，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差。表1为FAST CBM历史拟合准备参数表，FAST CBM历史拟合准备参数是FAST CBM软件运行前输入的模拟准备参数；表2为Comsol模拟准备参数表，Comsol模拟准备参数是Comsol软件运行前输入的模拟准备参数。
表1-FAST CBM历史拟合准备参数表
表2–Comsol模拟准备参数表
以某一煤层气井为例，该煤层气井采用采用井底流压线性压降模式，预测了累产气量与时间的对应关系，如图4所示；同时也预测了日产气量与时间关系，如图5所示。
步骤S04：基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压。
由以上描述可以看出，本发明实施例通过对井底流压-进口气量进行转换，根据井口气量来实现对煤层气井的排采控制，简化井底-井筒-井口压力耦合模型转换和计算流程，避免了现有方法中从井口压力到井底流压的转换过程，从而提高了井底流压动压调节的可靠性和稳定性。
与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种煤层气井排采控制系统，如图6所示，包括：
压降模式确定单元1，用于根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；
模型构建单元2，用于根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
模型训练单元3，用于对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；
调压单元4，用于基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压；
所述煤层气井排采控制系统包括处理器和存储器，上述压降模式确定单元、模型构建单元、模型训练单元、调压单元均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。
可选的，所述压降模式确定单元，具体用于根据煤层气井的煤体结构，从线性压降和指数降压两种压降模式中选择一种，作为井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式。
可选的，所述模型构建单元具体用于根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量对应关系模型。
可选的，所述模型训练单元具体用于在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种煤层气井排采控制方法，其特征在于，包括：
根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；
根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；
基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压；
所述根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型，包括：
根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
所述对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练，包括：
在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差；
FAST CBM软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和调整拟合参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层厚度、煤层密度、温度、原始储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、含气量、废弃压力、束缚水饱和度、残余气饱和度、水曲线指数和气曲线指数；
所述生产数据包括：排采时间、产气量、产水量、输压、套压和井底流压；
所述调整拟合参数包括：初始孔隙度、初始渗透率、表皮系数和排泄面积；
Comsol软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和控制参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层密度、储层温度、原始储层压力、当前储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、初始孔隙度、初始渗透率、流体密度、流体可压缩性、流体动力粘度和渗透率与压力关系；
所述生产数据包括：排采时间、累计产气量和井底流压；
所述控制参数包括：压力-时间关系。
2.根据权利要求1所述的煤层气井排采控制方法，其特征在于，所述确定井底流压的压降模式，包括：
从线性压降和指数降压两种压降模式中选择一种，作为井底流压的压降模式。
3.一种煤层气井排采控制系统，其特征在于，包括：
压降模式确定单元，用于根据煤层气井的煤体结构，确定井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式；
模型构建单元，用于根据煤储层压降传播规律，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
模型训练单元，用于对所述井底流压与井口气量对应关系模型进行训练；
调压单元，用于基于当前确定的井底流压的压降模式以及训练后的井底流压与井口气量对应关系模型，根据井口气量动态调节井底流压；
所述煤层气井排采控制系统包括处理器和存储器，上述压降模式确定单元、模型构建单元、模型训练单元、调压单元均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能；
所述模型构建单元具体用于根据基质质量平衡方程、裂隙质量平衡方程、物质交换方程、力学本构方程以及气固耦合方程，分析煤储层中压降传播的规律，确定井底流压-井口气量转换关系，建立井底流压与井口气量对应关系模型；
所述模型训练单元具体用于在所述井底流压与井口气量对应关系模型的基础上，利用Comsol和FAST CBM软件对生产过程产气量进行时间演化模拟，进而预测产气量与时间对应关系，然后根据预测结果不断调整模型参数，尽力减小模型计算误差；
FAST CBM软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和调整拟合参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层厚度、煤层密度、温度、原始储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、含气量、废弃压力、束缚水饱和度、残余气饱和度、水曲线指数和气曲线指数；
所述生产数据包括：排采时间、产气量、产水量、输压、套压和井底流压；
所述调整拟合参数包括：初始孔隙度、初始渗透率、表皮系数和排泄面积；
Comsol软件运行前输入的模拟准备参数至少包括地质参数、生产数据和控制参数三类；
其中，所述地质参数包括：煤层密度、储层温度、原始储层压力、当前储层压力、朗格缪尔体积、朗格缪尔压力、初始孔隙度、初始渗透率、流体密度、流体可压缩性、流体动力粘度和渗透率与压力关系；
所述生产数据包括：排采时间、累计产气量和井底流压；
所述控制参数包括：压力-时间关系。
4.根据权利要求3所述的煤层气井排采控制系统，其特征在于，所述压降模式确定单元，具体用于根据煤层气井的煤体结构，从线性压降和指数降压两种压降模式中选择一种，作为井底流压的压降模式；其中，煤体结构越差的煤层气井，选用越缓慢的压降模式。
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