戰(zhàn)永平 付春麗 段曉飛，溫慶志，李松巖

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555) (中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555) (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

基于BP網(wǎng)絡(luò)分析大牛地氣田山西組氣井壓裂效果影響因素

戰(zhàn)永平 付春麗 段曉飛，溫慶志，李松巖

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555) (中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555) (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

影響大牛地氣田山西組氣井壓裂效果的因素繁多，且之間的關(guān)系十分復(fù)雜。利用高精度擬合的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，獲得了壓裂效果影響因素的影響程度如下：泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)(13.30%)、加砂強(qiáng)度(9.47%)、含氣飽和度(8.12%)、砂體厚度(8.12%)。運(yùn)用BP網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果優(yōu)選2口井進(jìn)行壓裂增產(chǎn)，增產(chǎn)效果分別為61.09%、59.75%，表明BP網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算結(jié)果可為壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

氣井壓裂；泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；加砂強(qiáng)度；含氣飽和度；砂體厚度；BP網(wǎng)絡(luò)

大牛地氣田為上古生界砂巖氣藏，埋深2400～2900m，具有石盒子組、山西組、太原組3套氣層，平均孔隙度8.46%，平均滲透率0.78mD，屬于致密砂巖氣藏，自然產(chǎn)能低甚至無(wú)自然產(chǎn)能，需壓裂投產(chǎn)。其山西組氣藏有18口井無(wú)阻流量大于5×104m3/d，占比10.52%；48口井無(wú)阻流量不到1×104m3/d，占比28.07%；105口井無(wú)阻流量為1×104～5×104m3/d，占比61.41%；無(wú)阻流量相對(duì)較低的井占比較大，合計(jì)占比89.48%。為改善氣井的壓裂改造效果以提高山西組整體產(chǎn)氣量，探討壓裂效果的影響因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在壓裂增產(chǎn)過(guò)程中，油氣井的壓裂效果受地質(zhì)和工程兩大類(lèi)因素共同影響[1～3]，各因素與壓裂效果之間存在著一種復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系[4～6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來(lái)的人工智能新技術(shù)，具有無(wú)限逼近任意非線性的能力以及解決問(wèn)題時(shí)的靈活性和自適應(yīng)性[7～10]，特別適合解決復(fù)雜非線性問(wèn)題，在石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[11，12]。筆者以大牛地氣田山西組氣層的測(cè)井、氣藏、工程參數(shù)以及壓后無(wú)阻流量等資料為樣本進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，建立高精度擬合BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，仿真計(jì)算各因素同幅度調(diào)整后的無(wú)阻流量變化率，計(jì)算出各因素對(duì)壓裂效果的影響程度，為后續(xù)壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 壓裂效果影響因素統(tǒng)計(jì)分析

影響山西組氣藏壓裂效果的因素有很多：自然伽馬、儲(chǔ)層電阻率、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子孔隙度、補(bǔ)償密度、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、有效厚度、砂體厚度、孔隙度、滲透率、含氣飽和度、排量、注液強(qiáng)度(單位厚度的液量)、加砂強(qiáng)度(單位厚度的加砂量)、砂比、注氮強(qiáng)度(單位厚度的液氮量)等。為研究無(wú)阻流量與各因素之間的依存關(guān)系，將山西組氣井按產(chǎn)量高低分成高產(chǎn)井、中產(chǎn)井、低產(chǎn)井、無(wú)效井4類(lèi)，以每類(lèi)井各因素的平均指標(biāo)來(lái)分析其與壓裂效果相關(guān)程度。由于各因素相互關(guān)聯(lián)，籠統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析效果不理想。因此，根據(jù)各因素本身的特點(diǎn)，將上述16個(gè)參數(shù)分為測(cè)井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)3大類(lèi)。

1.1測(cè)井參數(shù)的影響統(tǒng)計(jì)分析

由表1統(tǒng)計(jì)分析，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與儲(chǔ)層電阻率、補(bǔ)償中子孔隙度、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相關(guān)程度高，儲(chǔ)層電阻率越大，補(bǔ)償中子孔隙度越小，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越低，壓后產(chǎn)量相對(duì)較高。因此，壓裂選井選層時(shí)，應(yīng)把儲(chǔ)層電阻率、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、補(bǔ)償中子孔隙度作為重要測(cè)井參數(shù)來(lái)考慮。

表1 測(cè)井參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

1.2氣藏參數(shù)的影響統(tǒng)計(jì)分析

由表2統(tǒng)計(jì)分析可知，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與含氣飽和度相關(guān)程度高，含氣飽和度越高，壓后產(chǎn)量相對(duì)較高。無(wú)效井的有效厚度、砂體厚度、孔隙度、滲透率明顯低。因此，壓裂選井選層時(shí)，應(yīng)把含氣飽和度作為首要?dú)獠貐?shù)，有效厚度、砂體厚度、滲透率、孔隙度作為輔助參數(shù)。

表2 氣藏參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

1.3工程參數(shù)的影響統(tǒng)計(jì)分析

由表3統(tǒng)計(jì)分析，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與排量、注氮強(qiáng)度相關(guān)程度高，施工排量越高，注氮強(qiáng)度越低，壓后產(chǎn)量相對(duì)較高。排量大，因縫內(nèi)砂的堤峰后移增大有效支撐縫長(zhǎng)，而獲得較好的壓裂效果，注氮強(qiáng)度與壓裂效果的關(guān)系卻與理論相悖，說(shuō)明工程參數(shù)不是影響壓裂效果的主要因素。因此，壓裂選井選層應(yīng)以測(cè)井參數(shù)、氣藏參數(shù)作為主要因素，而施工參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

表3 工程參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

2 BP網(wǎng)絡(luò)分析

通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)影響山西組氣藏壓裂效果的因素有很多，且其間關(guān)系極其復(fù)雜，甚至出現(xiàn)與理論相悖的現(xiàn)象。這些單一因素的統(tǒng)計(jì)分析容易混淆和掩蓋事物的本質(zhì)，造成對(duì)山西組氣田壓裂效果分析與評(píng)價(jià)的局限性。在優(yōu)選壓裂井層、優(yōu)化壓裂施工設(shè)計(jì)時(shí)分不清主次順序，無(wú)法形成明確的概念。

山西組氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中積累了豐富的壓裂生產(chǎn)數(shù)據(jù)，且壓裂效果與各影響因素之間存在著復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系。為此，利用具有無(wú)限逼近任意非線性能力，特別適合解決非線性問(wèn)題的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析它們之間的依存關(guān)系，為后續(xù)壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)是誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱(chēng)[13]，以歸一化的20口井的壓后無(wú)阻流量為硬數(shù)據(jù)，以歸一化的測(cè)井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)等16個(gè)影響因素為輸入量，以“tansig”作為隱含層傳遞函數(shù)，以“l(fā)ogsig”作為輸出層傳遞函數(shù)，以“trainlm”作為訓(xùn)練函數(shù)，以“mse”作為性能函數(shù)，訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)的精度很大程度上取決于隱含層神經(jīng)元的數(shù)目是否合適，而目前沒(méi)有通用的理論確定其數(shù)目。因此，采用試湊法確定其數(shù)目，訓(xùn)練時(shí)，迭代次數(shù)設(shè)置為800，目標(biāo)精度設(shè)置為1×10-7，通過(guò)大量的重復(fù)訓(xùn)練確定誤差最小時(shí)的隱含層數(shù)目為11，建立16×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用反歸一化的仿真無(wú)阻流量的誤差Ei、均方根誤差函數(shù)(公式(1))檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型的精度。通過(guò)計(jì)算，最大誤差為3.15%，均方根誤差為1.51%，說(shuō)明建立的16×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度高，可靠。

(1)

式中：Ei為BP網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算的任意井的無(wú)阻流量與真實(shí)無(wú)阻流量之差除以真實(shí)無(wú)阻流量所得的值，%；n為樣本井?dāng)?shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，%。

2.2各因素影響程度分析

運(yùn)用訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)模型仿真計(jì)算各因素下調(diào)15%幅度時(shí)的反歸一化后無(wú)阻流量的變化率，運(yùn)用公式(2)計(jì)算出各因素影響程度E，結(jié)果見(jiàn)表4。

(2)

表4 各因素對(duì)壓裂效果影響程度計(jì)算及排序

圖1 壓裂效果影響因素整體分析

從整體情況(圖1)來(lái)分析，山西組氣井壓裂效果影響因素按影響程度大小依次是：測(cè)井參數(shù)(49.49%)、工程參數(shù)(25.47%)、氣藏參數(shù)(25.03%)。這是因?yàn)闇y(cè)井資料表征儲(chǔ)層巖性、物性、含氣性的綜合特性，而工程參數(shù)只是壓裂施工狀況的反映，氣藏參數(shù)主要表征儲(chǔ)層砂巖的儲(chǔ)氣和滲流特性。測(cè)井參數(shù)的變化會(huì)引起儲(chǔ)層發(fā)生多方面的變化，故其影響程度較明顯。因此，壓裂選井選層時(shí)，應(yīng)首要分析儲(chǔ)層的測(cè)井參數(shù)，選擇測(cè)井綜合解釋較好的儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂，再根據(jù)氣藏參數(shù)優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，提高山西組氣藏的壓裂改造效果。

為給后續(xù)選井選層提供切實(shí)可行的理論依據(jù)，對(duì)表4中各類(lèi)因素的單一因素進(jìn)行排序，找出其主要影響因素。分析發(fā)現(xiàn)，測(cè)井參數(shù)中泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為其主要影響因素，其無(wú)阻流量變化率為17.7%，影響程度為13.3%。氣藏參數(shù)中的含氣飽和度、砂體厚度為其主要影響因素，其無(wú)阻流量變化率分別為10.77%，10.76%，影響程度均為8.12%；工程參數(shù)中的加砂強(qiáng)度為其主要影響因素，其無(wú)阻流量變化率為12.64%，影響程度為9.47%。泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)從2個(gè)方面影響壓裂效果：一是影響儲(chǔ)層的巖石性質(zhì)，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越高，其儲(chǔ)層中砂巖含量相對(duì)較低，從而降低儲(chǔ)層砂巖的儲(chǔ)氣能力和滲透能力；二是壓裂過(guò)程中易引起壓裂液的二次傷害。含氣飽和度、砂體厚度是表征儲(chǔ)層儲(chǔ)氣能力參數(shù)，含氣飽和度越大、砂體有效厚度越厚，人工裂縫可連通的氣量就越充足，產(chǎn)量也就相對(duì)越高。加砂強(qiáng)度可表征填砂裂縫的幾何參數(shù)，反映人工裂縫的導(dǎo)流能力，其強(qiáng)度越強(qiáng)，則允許氣體通過(guò)的能力就越強(qiáng)，流動(dòng)阻力就越小，產(chǎn)量也就相對(duì)越高。

因此，在對(duì)山西組氣井進(jìn)行壓裂改造開(kāi)發(fā)時(shí)，在充分考慮測(cè)井參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)少、含氣飽和度高、砂體厚度大的層位充分開(kāi)發(fā)，同時(shí)施工過(guò)程中在不發(fā)生砂堵的前提下盡可能提高壓裂目的層的加砂強(qiáng)度，增大油氣的滲流能力，提高壓裂開(kāi)發(fā)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

大牛地氣田山西組泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)平均為13.31%，生產(chǎn)層的平均砂體厚度為16.09m，含氣飽和度平均為54.74%；加砂強(qiáng)度平均為8.08t/m；平均無(wú)阻流量為1.5772×104m3/d。根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果，影響山西組氣井壓裂效果的主要因素為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、含氣飽和度、砂體厚度、加砂強(qiáng)度。因此，根據(jù)山西組的測(cè)井資料、物性分析資料，選取2口泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于13.31%、含氣飽和度高于54.74%、砂體厚度大于16.09m的典型井層位進(jìn)行壓裂，以不發(fā)生砂堵的砂比使加砂強(qiáng)度達(dá)到8.08t/m以上，典型井的主要選取參數(shù)及壓后無(wú)阻產(chǎn)量的對(duì)比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 典型井主要選取參數(shù)及壓后無(wú)阻流量對(duì)比數(shù)據(jù)

注：標(biāo)準(zhǔn)差1是X-1井的數(shù)據(jù)與平均值之差；標(biāo)準(zhǔn)差2是X-2井的數(shù)據(jù)與平均值之差。

由表5可知，根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算各因素影響程度的結(jié)果，選取的山西組2口典型井的無(wú)阻流量均高于平均無(wú)阻流量，增產(chǎn)效果達(dá)到約60%左右，增產(chǎn)效果明顯?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，BP網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算各因素影響程度的結(jié)果可為壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

1)依據(jù)大牛地氣田山西組測(cè)井、氣藏及工程參數(shù)資料，統(tǒng)計(jì)分析表明，測(cè)井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)對(duì)壓裂效果均有不同程度的影響。

2)構(gòu)建的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤差小，精度高，且可靠。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)各類(lèi)因素的每一個(gè)因素的分析表明，影響山西組氣井壓裂效果主要因素為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、含氣飽和度、砂體厚度、加砂強(qiáng)度。

3)基于BP網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算結(jié)果，山西組氣井壓裂改造開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)少、含氣飽和度高、砂體厚度大的井層位進(jìn)行壓裂，同時(shí)壓裂施工時(shí)在不發(fā)生砂堵的條件下盡可能提高壓裂目的層的加砂強(qiáng)度?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，BP網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算結(jié)果可對(duì)壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

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[編輯] 黃鸝

TE375

A

1673-1409(2017)19-0085-05

2016-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304229)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目(JS201402)。

戰(zhàn)永平(1982-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，從事低滲透油氣藏增產(chǎn)機(jī)理方面的教學(xué)和科研工作，zhanyongping@upc.edu.cn。

[引著格式]戰(zhàn)永平,付春麗,段曉飛，等.基于BP網(wǎng)絡(luò)分析大牛地氣田山西組氣井壓裂效果影響因素[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(19):85～89.