秦研博, 許少華,2

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基于徑向基過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)層巖性識(shí)別①

秦研博1, 許少華1,2

1(東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院, 大慶 163318)2(山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 青島 266590)

識(shí)別并評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層是油田勘探開發(fā)工作中至關(guān)重要的部分, 而目前現(xiàn)有的巖性識(shí)別方法一般不能表述地層的非均質(zhì)性, 也沒有考慮到地層參數(shù)隨著深度而變化所產(chǎn)生的影響. 本文提出一種基于徑向基過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的巖性識(shí)別模型, 并用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所提出的方法有著較高的識(shí)別率, 是一種可以實(shí)際應(yīng)用的方法.

徑向基過程神經(jīng)元; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 巖性識(shí)別

如何發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)層并準(zhǔn)確評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層及其產(chǎn)量是油氣田勘探開發(fā)工作中不可或缺的部分. 因此儲(chǔ)層巖性識(shí)別作為發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層的核心部分, 顯得尤其重要. 最初, 儲(chǔ)層巖性識(shí)別工作都是在專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做的, 直接從取芯井中取出巖芯, 采用物理或者化學(xué)方法進(jìn)行儲(chǔ)層的定性與定量描述, 雖然得到了十分精確的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果, 但是缺點(diǎn)也很突出, 該方法對(duì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的消耗是巨大的. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 地球物理測(cè)井技術(shù)改善了這一現(xiàn)狀, 利用測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)已經(jīng)成為一種快速、低耗和廣泛的方法. 常規(guī)測(cè)井資料測(cè)量了地層的放射性、密度、孔隙度、自然電位、微電位電阻率、微梯度電阻率等數(shù)據(jù). 這些參數(shù)是地層巖性、物性和含油性的單一響應(yīng)或綜合響應(yīng), 因此, 利用測(cè)井資料做巖性識(shí)別是可行的[2,5,6,8-12].

交會(huì)圖法就是一種常規(guī)測(cè)井資料識(shí)別地層巖性的方法, 特點(diǎn)是使用方便、快捷, 因此被科研人員廣泛采用. 但是常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理方法是以線性的數(shù)學(xué)方法作為運(yùn)算的理論基礎(chǔ), 而實(shí)際情況中, 地層往往表現(xiàn)出非均質(zhì)性的特性. 此時(shí)再運(yùn)用線性的方法來確定測(cè)井資料與地層巖性之間的關(guān)系, 就是人為的簡(jiǎn)化了實(shí)際地層情況, 將地層視為均質(zhì)性了, 因此, 用線性模型進(jìn)行巖性判別描述, 會(huì)導(dǎo)致較多的誤判情況. 而且在實(shí)際工作中, 工作人員的經(jīng)驗(yàn)也是十分重要的, 往往經(jīng)驗(yàn)豐富, 對(duì)區(qū)塊地層實(shí)際情況比較熟悉的人員才能夠?qū)Φ貙訋r性的判別有比較高的正確率. 所以從實(shí)際結(jié)果來看, 現(xiàn)有的方法并不理想, 而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 運(yùn)用人工智能技術(shù)來做模式識(shí)別的方法越來越被科研人員所重視. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是目前發(fā)展比較成熟的一種用于模式識(shí)別的人工智能方法, 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是非線性的, 因此能夠較好的表述地層的非均質(zhì)性, 同時(shí)結(jié)合區(qū)域巖心資料、錄井資料和人為經(jīng)驗(yàn), 建立合適的非線性數(shù)學(xué)模型, 可以更加高效準(zhǔn)確的識(shí)別巖性.

運(yùn)用普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做巖性識(shí)別, 前人已經(jīng)做了不少研究. 但是普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出是幾何點(diǎn)式的, 模型中使用某個(gè)深度的測(cè)井曲線值代表整個(gè)小層的巖性, 沒有考慮到在實(shí)際情況中, 小層內(nèi)的測(cè)井曲線值是隨著深度的變化而變化的, 單純的用確定的某個(gè)深度的值代表整個(gè)小層并不是十分準(zhǔn)確的. 因此本文提出一種過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 考慮到整個(gè)小層內(nèi)的測(cè)井曲線值的變化, 將一整段測(cè)井曲線作為輸入并結(jié)合人為經(jīng)驗(yàn)選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)與指標(biāo)來訓(xùn)練模型. 最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該模型用來做巖性識(shí)別取得了較好的結(jié)果, 是一種較好的方法, 該方法能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供較高價(jià)值的參考, 更好的識(shí)別油氣層, 服務(wù)于測(cè)井解釋.

1　徑向基過程神經(jīng)元

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的起源要追溯到1985年, 當(dāng)年由Powell提出了多變量差值的徑向基函數(shù)方法(Radical Basis Function, RBF). 而在1988年Broomhead和Lowe最先將徑向基函數(shù)應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì), 構(gòu)成了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò). 該網(wǎng)絡(luò)是一種前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 通過改變神經(jīng)元非線性變換函數(shù)的參數(shù)以實(shí)現(xiàn)非線性映射, 由此導(dǎo)致連接權(quán)調(diào)整的線性化以提高網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度. 該網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù), 特別適合于解決分類問題[4].

2000年, 何新貴院士提出了過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型. 而后, 許少華提出徑向基過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型[1,3]. 該網(wǎng)絡(luò)模型是一種3層前向結(jié)構(gòu). 第1層為輸入層, 由過程信號(hào)源節(jié)點(diǎn)組成, 完成過程信號(hào)向網(wǎng)絡(luò)的輸入; 中間層為過程神經(jīng)元隱層, 變換函數(shù)為徑向基核函數(shù), 完成對(duì)輸入過程信號(hào)的聚合運(yùn)算; 第3層為輸出層, 對(duì)輸入的過程信號(hào)做出響應(yīng).

1.1 徑向基過程神經(jīng)元模型

徑向基過程神經(jīng)元是由時(shí)、空二維聚合以及徑向基核函數(shù)變換等部分組成. 單個(gè)徑向基過程神經(jīng)元的模型如圖1所示.

圖1　徑向基過程神經(jīng)元

徑向基過程神經(jīng)元輸入與輸出之間的關(guān)系為

1.2徑向基過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

徑向基過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為一種3層前向結(jié)構(gòu). 輸入層有個(gè)節(jié)點(diǎn)單元, 完成過程信號(hào)的輸入; 中間徑向基過程神經(jīng)元隱層有個(gè)節(jié)點(diǎn)單元, 單元的變換函數(shù)是徑向基核函數(shù), 完成對(duì)輸入信號(hào)的聚合運(yùn)算; 輸出層為隱層節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)的線性加權(quán)和[2]. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　徑向基過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練主要包括對(duì)徑向基核函數(shù)(?)中性質(zhì)參數(shù)的調(diào)整, 確定徑向基核中心函數(shù), 以及對(duì)輸出層權(quán)系數(shù)的迭代修正, 使之在有監(jiān)督模式下, 網(wǎng)絡(luò)滿足訓(xùn)練樣本輸入與輸出之間的映射關(guān)系.

由于式中對(duì)于時(shí)間的聚合運(yùn)算過程十分復(fù)雜, 為此, 在輸入空間中引入函數(shù)正交基, 將輸入函數(shù)進(jìn)行正交基展開, 利用基函數(shù)的正交性, 簡(jiǎn)化聚合運(yùn)算[7]. 設(shè)為輸入空間中能夠滿足輸入函數(shù)與核中心函數(shù)擬合精度要求的標(biāo)準(zhǔn)正交基函數(shù),為輸入空間中的任意函數(shù), 則可表示為:

同理隱層第個(gè)神經(jīng)元的核中心函數(shù)可表示為基展開形式, 即:

其中,=1,2,3,...,.

根據(jù)式(2)(3)及基函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)正交性可得:

因此, 隱層第個(gè)神經(jīng)元的輸出為:

1.3網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)規(guī)則

若徑向基核函數(shù)取為高斯函數(shù), 即:

式中,稱為個(gè)核中心函數(shù)的平均離差, 可由下式確定:

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練借鑒傳統(tǒng)梯度下降算法, 輸出層權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)迭代式為:

其中為學(xué)習(xí)迭代次數(shù),為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效率.

2　徑向基過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)巖性識(shí)別模型

常用的測(cè)井曲線有SP(自然電位)、RLLD(雙側(cè)向(深) )、RLLS(雙側(cè)向(淺))、RXO(微球形聚焦電阻率)、RMN(微電位電阻率)、 RMG(微梯度電阻率)、R25(2.5米底部梯度)、CAL(井徑)、GR(自然伽馬)、DEN(密度)等. 一般在做巖性識(shí)別的時(shí)候, 根據(jù)實(shí)際工區(qū)概況, 選取幾個(gè)測(cè)井指標(biāo)組合起來識(shí)別巖性. 本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于大慶油田采油一廠某區(qū)塊, 該區(qū)塊主要以砂泥巖為主, 選取了自然電位、微梯度電阻率、微電位電阻率三個(gè)指標(biāo)來組合識(shí)別巖性. 本次實(shí)驗(yàn)選取了七口取芯井的解釋資料, 總共得到382個(gè)小層解釋數(shù)據(jù). 最終選取了345個(gè)小層數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù), 實(shí)驗(yàn)分類巖性為泥巖(分類代號(hào)1)、粉砂巖(分類代號(hào)2)和細(xì)砂巖(分類代號(hào)3), 隨機(jī)選取其中300個(gè)小層數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù), 剩余45個(gè)小層數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù). 部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示.

表1 部分實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)

由于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為離散測(cè)量值, 選擇離散Walsh函數(shù)系作為輸入函數(shù)的擬合基函數(shù). 模型設(shè)計(jì)最大迭代次數(shù)為1000, 精度為0.0001, 學(xué)習(xí)效率為0.01. 通過修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的排序, 隨機(jī)選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù). 共做了五組實(shí)驗(yàn), 最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 平均分類正確率達(dá)到92%, 結(jié)果還是比較理想的, 能夠在實(shí)際應(yīng)用中為工作人員提供有價(jià)值的參考. 部分小層巖性識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 部分小層巖性識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)語

由于工區(qū)地層呈現(xiàn)非均質(zhì)性, 地質(zhì)情況比較復(fù)雜, 傳統(tǒng)的取芯方法識(shí)別并評(píng)價(jià)儲(chǔ)層, 代價(jià)太大, 其他方法也沒有考慮到實(shí)際的測(cè)井曲線會(huì)隨著深度變化的情況. 本文提出的基于徑向基過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型, 較好的表述了地層的非均質(zhì)特性, 又兼顧了測(cè)井曲線值變化產(chǎn)生的影響, 達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果, 提高了巖性識(shí)別的精度.

1 許少華,何新貴.徑向基過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2004,1:14–17.

2 代青樓.薄差層厚度識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用.大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2015,34(4):152–157.

3 何新貴,梁久禎,許少華.過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練及其應(yīng)用.中國(guó)工程科學(xué),2001,3(4):31–35.

4 李盼池.過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及學(xué)習(xí)算法研究[碩士學(xué)位論文].大慶:東北石油大學(xué),2004.

5 王洪濤.海拉爾盆地復(fù)雜巖性測(cè)井識(shí)別方法研究及應(yīng)用[碩士學(xué)位論文].大慶:東北石油大學(xué),2009.

6 趙羅臣.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測(cè)井解釋不通巖性識(shí)別中的應(yīng)用研究[碩士學(xué)位論文].杭州:浙江大學(xué),2011.

7 許少華,何新貴.基于函數(shù)正交基展開的過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2004,27(5):645–650.

8 顧玉君,申曉娟,吳愛紅,等.泌陽凹陷南部陡坡帶砂礫巖儲(chǔ)層巖性識(shí)別研究.石油地質(zhì)與工程,2009,23(2):40–42.

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10 宋梅遠(yuǎn),張善文,王永詩等.沾化凹陷沙三段下亞段泥巖裂縫儲(chǔ)層巖性分類及測(cè)井識(shí)別,2011,18(6):18–23.

11 王娜娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在測(cè)井巖性識(shí)別中的應(yīng)用[碩士學(xué)位論文].北京:北京化工大學(xué),2009.

12 李慶峰,何雪瑩,周彥球.營(yíng)城組砂礫巖儲(chǔ)層巖性及孔隙度求取技術(shù).大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2014,33(4):145–149.

Lithology Identification Based on Radial Basis Process Neural Network

QIN Yan-Bo1, XU Shao-Hua1,2

1(Institute of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)2(College of Information Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Identification and evaluation of oil and gas reservoirs is an essential part in the work of oil exploration and development. Generally speaking, the existing lithology identification methods can’t be expressed in formation heterogeneity, the impact of layer parameters varies with depth arising is not taken into account. This paper presents a model of lithologic identification based on radial basis process neural network, which is verified by the actual data. The experimental result shows that the proposed method has a high recognition rate, and it is a practical application method.

radial basis process neural network ; neural network; lithology identification

2016-06-28;

2016-07-27

[10.15888/j.cnki.csa.005649]