晉城礦區(qū)3號煤層深部含氣量預(yù)測

姜偉

摘 要：為了探討深部煤層含氣量的有效預(yù)測方法，將支持向量機學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到了預(yù)測模型的建立中。以晉城礦區(qū)3號煤層為研究對象，以淺部煤層數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了含氣量預(yù)測模型，并用煤層深部實測數(shù)據(jù)對模型進行了檢驗，精度可滿足生產(chǎn)需要，這為煤儲層深部含氣量預(yù)測提供了新思路。

關(guān)鍵詞：煤層深部含氣量；壓裂技術(shù)；建模樣本；Matlab

中圖分類號：P618.13 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.112

煤層含氣量是煤儲層評價的基本參數(shù)之一，是開發(fā)潛力評價、有利區(qū)預(yù)測和選擇開發(fā)方案重要依據(jù)。結(jié)合晉城礦區(qū)煤層氣井的生產(chǎn)實踐，當(dāng)煤層埋深超過800 m時，受地應(yīng)力的影響，壓裂縫延伸的長度和高度都受到了限制，壓裂效果大打折扣。隨著連續(xù)油管分段壓裂、滑套工具串分段壓裂等新型壓裂技術(shù)的成熟，壓裂改造能力有了很大的提高。在此情況下，人們開始關(guān)注后備區(qū)埋深大于800 m的區(qū)域，但由于前期深部測試樣品較少，且對深部煤層含氣量的分布規(guī)律認識不足，所以，對煤儲層深部含氣量的預(yù)測是非常重要的。

1 支持向量機學(xué)習(xí)法

支持向量機學(xué)習(xí)法是由Vapnik率先提出的，是基于統(tǒng)計學(xué)理論的一整機器學(xué)習(xí)方法。其基本思想是高維特征空間內(nèi)的線性回歸，是從線性可分條件下的最優(yōu)分類超平面發(fā)展而來的。給定建模樣本數(shù)據(jù)點集：

. （1）

式（1）中：xi為輸入變量；yi為目標(biāo)變量。

通過機器學(xué)習(xí)，可找到一個非線性函數(shù)f（x）。此時，不僅應(yīng)滿足yi=f（xi），且對于檢驗樣本集{xn+1，xn+2，…，xn+m}而言，其預(yù)測值誤差應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。在實際應(yīng)用中，沒必要求得f（x）的解析表達式，只需要借助Matlab軟件的SVM工具箱即可。f（x）可通過核函數(shù)的選擇和相關(guān)參數(shù)的選取來確定。結(jié)合經(jīng)驗選取合適的核函數(shù)后，應(yīng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，直至預(yù)測精度令人滿意為止。

2 建立含氣量預(yù)測模型

晉城礦區(qū)是19個首批煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)之一，是我國重要的無煙煤生產(chǎn)基地，位于沁水盆地的東翼南端，隸屬于沁水煤層氣田。礦區(qū)主要煤系地層為二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）和石炭系上統(tǒng)太原組（C3t），平均厚度為136.02 m。含煤15層，煤層總厚度為14.67 m，含煤系數(shù)為10.8%.3號煤層位于山西組中下部，上距K8砂巖約30 m，下距9號煤層48 m。煤厚4.45～8.75 m，平均厚度為6.31 m，含氣量為15.3～27.2 m3/t，為目前主要開采層位。為了對3號煤層深部含氣量進行預(yù)測，根據(jù)前期煤田勘探孔資料，選取了7個參數(shù)（煤層厚度、儲層溫度、鏡質(zhì)組最大反射率、煤層灰分含量、儲層流體壓力、煤層埋藏深度、直接頂板厚度）作為影響煤儲層氣含量的因素進行數(shù)學(xué)建模。晉城礦區(qū)3號煤層的參數(shù)如表1所示。

以9個埋深小于800 m的數(shù)據(jù)樣本建立了預(yù)測模型，并以上述7個影響因素為預(yù)測模型的輸入變量，含氣量為輸出變量。在Matlab軟件的SVM工具中進行處理，通過多次模型參數(shù)試驗，最終核函數(shù)選用了徑向基核函數(shù)，不靈敏參數(shù)ε的值選擇為0.05，參數(shù)γ的值選擇為0.1，懲罰參數(shù)C的值選擇為10 000.應(yīng)用3個埋深大于800 m的樣本對預(yù)測結(jié)果進行檢驗，以檢查預(yù)測精度是否滿足要求。預(yù)測值的絕對誤差小于0.05 m3/t，相對誤差小于3%.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元線性回歸為目前較為常用的含氣量預(yù)測方法。分別建立了3個隱藏層，建立了持續(xù)次數(shù)為500次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和7元線性回歸模型。通過預(yù)測誤差的對比可以看出，支持向量機學(xué)習(xí)預(yù)測精度的方法優(yōu)于其他兩種方法。其原因有2點：①數(shù)據(jù)樣本小。訓(xùn)練樣本只有9個，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型未經(jīng)過充分的訓(xùn)練，易陷入局部極值，②部分次要的輸入變量導(dǎo)致影響因素過于離散，最終使預(yù)測結(jié)果的精度降低。具體如表2所示。

3 結(jié)束語

綜上所述，模型預(yù)測精度法優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和線性回歸法，可支持向量機方法對小樣本、非線性、多因素數(shù)據(jù)的建模，為深部含量預(yù)測提供了新思路。因此，在煤層氣勘探程度較低的區(qū)域，可基于煤田鉆孔資料對煤儲層含氣性進行初步評價。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕