基于灰色关联方法的深层煤层气井压后产能影响地质工程因素评价.pdf
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1、2023年第13卷 第4期油气藏评价与开发PETROLEUM RESERVOIR EVALUATION AND DEVELOPMENT基于灰色关联方法的深层煤层气井压后产能影响地质工程因素评价孔祥伟1,2,谢 昕3,王存武3,时 贤4(1.长江大学石油工程学院,湖北 武汉 430100;2.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学),湖北 武汉 430100;3.中海油研究总院有限责任公司,北京 100028;4.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东 青岛 266580)摘要:煤储层具有低孔、低渗和低压特征,实现煤层气工业开采主要依靠水力压裂等技术。沁水盆地柿庄区块目前日产量小于500 m3的
2、气井占到50%以上,气井改造后增产效果不理想,气井产能主控影响因素不清楚,直接影响气井整体产能的提升。基于煤层气井压裂及产能数据,利用灰色关联方法刻画了煤层气地质工程因素对压裂产能的影响程度,分析了气井压裂后产能主控影响因素。根据皮尔逊相关性分析方法,建立产能主控因素与气井产量的关联数学模型来预测气井产能,结合气井生产数据验证了预测模型可靠性。采用卡方自动交互检测决策树方法,建立了已压裂井地质和工程因素对气井产能影响关系分类决策树,高含气量条件下工程因素对气井产能提升影响较小,随着含气量降低,不同工程因素对气井产能的影响程度逐渐增大,有助于优化排量、砂量及总液量等主要设计参数,丰富了煤层气压裂
3、后产能评价方法。关键词:煤层气;灰色关联方法;压裂效果;K-均值聚类算法;多参数模型中图分类号:TE328文献标志码:AEvaluation of geological engineering factors for productivity of deep CBM well afterfracturing based on grey correlation methodKONG Xiangwei1,2,XIE Xin3,WANG Cunwu4,SHI Xian4(1.School of Petroleum Engineering,Yangtze University,Wuhan,Hubei
4、430100,China;2.Key Laboratory of Drilling andProduction Engineering for Oil and Gas,Hubei Province(Yangtze University),Wuhan,Hubei 430100,China;3.CNOOC ResearchInstitute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China;4.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao,Shandong 266580,
5、China)Abstract:Coal-bed methane reservoirs are characterized by low porosity,low permeability and low pressure,making theirindustrial exploitation primarily reliant on techniques like hydraulic fracturing.Currently,more than 50 percent of the gas wells inthe Shizhuang block in the Qinshui Basin curr
6、ently produce less than 500 m3/d of coal bed methane.However,the increase inproduction after gas well retrofitting has not been ideal and the main factors affecting gas well productivity remain unclear,directlyimpacting the overall improvement.To address this,the degree of influence of geological an
7、d engineering factors on fracturingproductivity in coal-bed gas wells is described using the gray correlation method,and the main factors controlling gas wellproductivity after fracturing are analyzed.A correlation mathematical model between the main control factors and gas wellproduction is establi
8、shed using the Pearson correlation analysis method to predict gas well productivity.The reliability of theprediction model is verified through gas well data validation.Furthermore,a classification decision tree is established using the引用格式:孔祥伟,谢昕,王存武,等.基于灰色关联方法的深层煤层气井压后产能影响地质工程因素评价J.油气藏评价与开发,2023,13
9、(4):433-440.KONG Xiangwei,XIE Xin,WANG Cunwu,et al.Evaluation of geological engineering factors for productivity of CBM well afterfracturing based on grey correlation methodJ.Petroleum Reservoir Evaluation and Development,2023,13(4):433-440.DOI:10.13809/32-1825/te.2023.04.004收稿日期:2023-04-10。第一作者简介:孔
10、祥伟(1982),男,博士后,副教授,现从事油气井力学与工作液、储层改造等相关井筒力学研究。地址:湖北省武汉市蔡甸区大学路特1号,邮政编码:430100。E-mail:基金项目:中海油“十四五”规划重大项目“差异化大型压裂物模实验及可压性研究”(CCL2022RCPS0471RSN),“柿庄区块煤层气水平井高效压裂优化研究及应用”(CCL2022RCPS0038ESN)。4332023年第13卷 第4期孔祥伟,等.基于灰色关联方法的深层煤层气井压后产能影响地质工程因素评价chi-square automatic interactive detection decision tree metho
11、d,in conjunction with gas well productivity data,to understand theimpact of geological and engineering factors on gas well productivity in fractured wells.Under high gas content conditions,engineering factors have a relatively small impact on the productivity improvement of gas wells.However,as the
12、gas contentdecreases,the impact of different engineering factors on the gas well productivity gradually increases,which helps optimize themain design parameters such as displacement,sand volume,and total liquid volume,enriching the evaluation methods for postfracturing productivity of coal seam pres
13、sure.Keywords:coal-bed methane;grey correlation method;fracturing effect;K-means clustering algorithm;optimization of fracturingparameters中国煤层气资源丰富,埋深 2 000 m 及以深煤层气资源量为 40.711012m3,其中可采资源量达10.011012m3,开发利用前景广阔14。煤层气储层具有低孔、低渗和低压特征,需利用增产改造技术来获得工业产量5-9。水力压裂是实现煤层气工业开采必不可少的主要技术手段10-15。随着开发生产的持续推进,沁水盆地柿庄
14、区块目前日产量小于500 m3的煤层气井占50%以上,气井压裂改造后增产效果不理想,其产能与压裂施工参数关系不清楚影响气井产能的提升16-19。由于煤层气初次压裂设计因地质因素不明确而优化改进有限,压后改造效果评估方法有待进一步提升,同时有助于提升二次选井重复压裂的改造效果。煤层气井压裂后效果评估技术常采用模糊评价、模糊聚类、灰色关联、层次分析的方法20-24。倪小明等25整合“系统工程事故树分析法+多层模糊数学综合评价法”来优化煤层气二次压裂选井标准,显著提高了煤层气直井压裂改造效率。杨兆中等26-27采用灰色关联法计算了煤层气井产量影响因素的权重,利用逼近理想解排序法指导煤层气井重复压裂。
15、马新仿等28利用考虑储层物性及可压性的地质与工程因素的压裂选井的层次聚类模型来指导煤层气压裂选井选层,采用聚类集成算法来确定气井重复压裂的潜能大小,为压裂选井选层提供了一种可借鉴的方法。借鉴上述研究方法,提出了一种基于地质工程一体化的煤层气压裂效果评价方法,利用灰色关联方法来刻画煤层气压裂及地质岩石力学等地质工程各因素之间的影响程度,客观分析气井产能的影响因素。根据皮尔逊相关性分析压裂参数与气井产能的相关性,建立压裂参数与气井产能的多元关联模型,并利用K-均值聚类算法度量每个关联模型的分区及其每个参数的显著性特征,评价煤层气井产能压裂效果,优化煤层气井压裂设计参数。1柿庄区块煤层地质特征沁水盆
16、地柿庄区块山西组3号和15号煤层为主力层系,其中3号煤层是目前开发的主要煤层,埋深650.01 506.0 m,平均1 089 m,煤层厚1.2512.43 m,平均 6.39 m,煤层含气量一般 4.023.4 m3/t,平均13.96 m3/t。煤体结构主要以原生-碎裂煤为主,仅在断裂发育区碎粒煤发育。渗透率较低:(0.011.50)10-3m2,平均0.2710-3m2,孔隙度介于3.0%9.9%,平均值为5.43%29-30。3号、15号煤层显微裂隙密度平均分别为6.2、7.1 条/cm;15号煤层宏观割理裂隙、显微裂隙整体较3号煤层发育31。3号煤层顶底板多以粉砂质泥岩为主,顶底板封
17、盖性较好;15号煤层顶板以灰岩覆盖,底板以粉砂质泥岩为主,封盖性较好,但顶板灰岩局部含水(表1)。煤层3号15号埋深/m651742储厚/m6.214.93含气量/(m3/t)13.6913.38煤岩密度/(t/m3)1.581.60渗透率/10-3m20.210.600.140.46孔隙度/%4.535.17储层压力/MPa3.214.26顶板岩性粉砂质泥岩灰岩底板岩性粉砂质泥岩粉砂质泥岩显微裂隙密度/(条/cm)6.27.1表1柿庄区块煤储层参数Table 1Coal reservoir parameters of Shizhuang block434孔祥伟,等.基于灰色关联方法的深层煤层
18、气井压后产能影响地质工程因素评价2023年第13卷 第4期2气井产能影响因素评价方法2.1灰色关联分析方法2.1.1原理基于对煤层气气井产能影响因素的前期认识,利用灰色关联分析方法定量分析各因素,结合研究区块产能数据,确定了地质工程参数对煤层气气井产能影响的权重及关联度,形成了气井产能影响因素评价方法。灰色系统理论通过明确系统中各因素间主要关系,找出最大影响因素,从而分析关联度32-35。若两因素在系统发展过程中相对变化一致,则两者关联度大;反之则两者关联度小。关联分析首先确定参考序列,然后比较其他数列同参考数列的接近程度,比较判断其他数列。通过灰色关联系数、灰色关联度等参数来刻画压裂参数及地
19、质岩石力学各因素之间的影响程度,客观反映气井产能的影响因素36-37。2.1.2计算步骤分析煤层气井压后产能效果评价因素(储层厚度、含气量、渗透率、可压指数、最大施工排量、最后瞬时停泵压力、支撑剂总量、压裂液总量、平均砂比、前置液液量、携砂液量、施工泵压等,用Xi表示),采用灰色关联模型确定产能影响因素的关联度(图1)。按灰色关联分析法,以影响产能因素为指标,其测试值序列为:Xi(j)=X0(1),X1(2),Xm(n)(1)式中:Xi(j)为mn维矩阵;i为煤层气井井数,i=1,2,3,m;j为每口气井的评价指标数,j=1,2,3,n。为使得参考因素和对比因素具有可比性,对其无因次化处理34
20、:Yi(j)=xi(j)1mj=1mxi(j)(2)计算Yi()j对Y0()j在第j个点的关联度:i(j)=miniminj|Y0(j)Yi(j)+0.5 maximaxj|Y0(j)Yi(j)|Y0(j)Yi(j)+0.5 maximaxj|Y0(j)Yi(j)(3)式中:i(j)为关联度。对储层厚度、含气量、渗透率、可压指数、最大施工排量、最后瞬时停泵压力、支撑剂总量、压裂液总量、平均砂比、前置液液量、携砂液液量、施工泵压等参数归一化处理:r0i=1mj=1m0i(j)ai=r0ii=1nr0i(4)式中:r0i为各因素之间的关联度,i=1,2,3,,m;ai为建立的各个评价指标的权重。按
21、ai大小对各因素的关联度排序,明确煤层气产能主控因素影响的权重。2.2地质参数影响分析根据柿庄区块39组单井产量与压裂施工参数的数据样本,分析了煤层气单井产量与地质参数的相关性,确定了地质参数与气井产能的相关度(表2)。根据计算结果,柿庄区块3号煤层气井产能的地质主控因素排序为:含气量储层厚度渗透率可压指数。根据气井产量与储层厚度、含气量、渗透率及可压性之间的关系,即通过目标区块气井地质参数与气井压裂后产量之间的关系。储层厚度与含气量是影响单井产能的主控因素,储层厚度与含气量越大,煤层气资源量越高,气源供给越充分,单井产能越大,并且稳产持续时间越长。煤层渗透率反映煤层中的解析气和游离气流入井筒
22、中的难易程度,是储层评价、实现稳产高产的关键因素。压裂施工参数确定 分析序列计算关联系数原始数据归一化处理关联度排序图1灰色关联分析方法计算流程Fig.1Calculation process of grey correlation analysis method影响次序1234压裂参数含气量储层厚度渗透率可压指数相关度0.102 40.101 50.100 20.088 9表2地质参数对产能的相关度Table 2Correlation of geological parameters withproduction capacity4352023年第13卷 第4期孔祥伟,等.基于灰色关联方法的
23、深层煤层气井压后产能影响地质工程因素评价2.3工程参数影响分析根据柿庄区块39组单井产量与压裂施工参数的数据样本,分析了煤层气单井产量与压裂参数的相关性,确定了工程参数与气井产能的相关度(表3)。根据计算结果,柿庄区块3号煤层气井产能的工程主控因素排序为:最大施工排量支撑剂总量平均砂比施工总液量最后瞬时停泵压力携砂液量施工泵压前置液量。3气井压后产能预测3.1气井压裂效果评价方法基于皮尔逊相关性分析压裂参数与气井产能的相关性,形成考虑压裂参数影响的气井产能多元关联数学模型,利用K-均值聚类算法度量每个关联模型的分区,分析每个参数的显著性特征,开展煤层气井压裂效果评价(图2)。样本间的皮尔逊相关
24、系数表达式为:rxy=i=1n()Xi X()Yi Yi=1n()Xi X2i=1n()Yi Y2(5)式中:rxy为变量x和y之间的线性相关关系系数,介于1和1之间;Xi、Yi分别为X、Y变量中的第i个值;X、Y分别为X、Y变量的平均值。-均值聚类算法基于距离相似度判定,两个样本数据之间距离越小越相似,可划分到同一簇中,最终由所有距离相近的样本数据构成不同的簇,得到紧凑而独立的类别。首先在输入数据集中随机选择k个初始聚类中心,然后根据距离相近原则,利用适当的距离公式计算每个数据对象与k个聚类中心间的距离,划分数据到距它最近的聚类中心所在的聚类域中,组成一个由聚类中心和所有分配给该中心的数据对
25、象所组成的聚类。所有数据分配成功一次后,重复计算每个聚类中全部数据对象的平均值,得到新的聚类中心,依次迭代,直到满足某终止条件,表明此时所有数据对象的类别划分完毕,即得到了k个聚类38-39。算法的终止条件有以下种情况:)没有或最小数目的数据对象被重新分配给不同的聚类;)没有或最小数目的聚类中心再发生变化;)误差平方和局部最小。其中误差平方和聚类准则函数J的计算公式如式(6)所示,其值越小表示数据的集中性越好,聚类效果越好。J=j=1ku Cjd()Xu,mj2(6)代表聚类中心矢量的mj:mj=1niu CjXu(7)式(6)式(7)中:Xu为数据u的全部属性值的矢量;m1,m2,mk是 k
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