王 謙 譚茂金* 石玉江 李高仁 程相志 羅偉平
(①中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院,北京100083;②中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)研究院,陜西西安710021;③中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京100083;④中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒841000)
致密油氣藏作為一種非常規(guī)油氣資源,正成為現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。致密砂巖因其孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透率低、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn),利用常規(guī)測(cè)井解釋方法往往得不到精確的流體滲流特性研究結(jié)果[1-2]。含水率是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、油氣開采及開發(fā)潛力評(píng)估的一項(xiàng)重要參數(shù)[3],且油水相對(duì)滲透率是精確求取該參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)[4],但致密砂巖的飽和度及滲透率等參數(shù)通常難以準(zhǔn)確計(jì)算。近年興起的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為致密砂巖相對(duì)滲透率的研究提供了一種新方法[5-6]。
相對(duì)滲透率通常是通過實(shí)驗(yàn)方法獲得,常用的方法有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法[7]。穩(wěn)態(tài)法的原理是基于達(dá)西公式,其實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,但耗時(shí)較長(zhǎng),且對(duì)復(fù)雜儲(chǔ)層無法真實(shí)模擬流體的運(yùn)動(dòng);非穩(wěn)態(tài)法是基于Buckley-Leverett驅(qū)油理論,實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短,且可更真實(shí)地模擬巖石中流體的運(yùn)動(dòng)過程,因此被廣泛應(yīng)用。
針對(duì)計(jì)算模型,眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)探究。Burdine[8]早期導(dǎo)出潤(rùn)濕相和非潤(rùn)濕相的相對(duì)滲透率公式。Jones等[9]以作切線代替微分運(yùn)算改進(jìn)了計(jì)算油水相對(duì)滲透率的經(jīng)典JBN方法,提出瓊斯圖解法。董平川等[10]提出一種非穩(wěn)態(tài)油水相對(duì)滲透率計(jì)算方法。鄧英爾等[11]綜合考慮啟動(dòng)壓力、毛管壓力及重力情況下推導(dǎo)出油濕和水濕兩種巖石的相對(duì)滲透率公式。王坤等[12]也兼顧啟動(dòng)壓力、毛管壓力及重力影響,構(gòu)建了超低滲儲(chǔ)層相對(duì)滲透率模型。Chima等[13]基于已有的裂縫性油藏相對(duì)滲透率模型,建立了氣水相對(duì)滲透率的數(shù)學(xué)模型。
含水率是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及指導(dǎo)油田開發(fā)的一項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)。目前,常用的含水率預(yù)測(cè)模型相對(duì)較少,主要有Logistic、Gompertz及Usher等三種[14]。童憲章[15]通過梳理采出程度和采收率與含水率的關(guān)系,建立了童氏圖板,但實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)常常無法按某條曲線規(guī)范地分布,使其實(shí)際應(yīng)用受到限制。尹大慶等[16]針對(duì)油田不同開采階段,通過回歸分析繪制了修正童氏圖板,其預(yù)測(cè)效果有所改善。同時(shí),利用(四種常用的)水驅(qū)特征曲線也可研究累計(jì)產(chǎn)量與含水率之間的關(guān)系。Leverett在20世紀(jì)40年代推導(dǎo)的分流量方程也一直被廣泛地應(yīng)用于油田含水率的計(jì)算[17]。
上述幾種方法雖都具有一定理論意義和應(yīng)用價(jià)值,但也都存在一定局限。測(cè)井學(xué)者在持續(xù)探尋新的改進(jìn)模型。Moody等[18]提出基于徑向基函數(shù)(RBF)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。王煒等[19]將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)專家系統(tǒng)ESEP3.0中,證明該方法具有理想預(yù)測(cè)效果和應(yīng)用前景。Tan等[20]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)頁巖氣有機(jī)碳含量(TOC),并與經(jīng)驗(yàn)公式法、多元回歸法及ΔlogR法對(duì)比,驗(yàn)證了該方法預(yù)測(cè)TOC的可行性,同時(shí)也較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了其他礦物含量。鄒友龍等[21]針對(duì)核磁共振實(shí)驗(yàn)的T2分布,采用RBF網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了巖石滲透率及流體組分的高精度預(yù)測(cè)。Komijani等[22]提出基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電化學(xué)阻抗斯奎特圖的模擬與預(yù)測(cè)模型,證明了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。
諸多文獻(xiàn)從不同角度論證了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的可行性。它具有全局最優(yōu)逼近、非線性擬合能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),且學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單、收斂速度快、便于實(shí)現(xiàn)。本文介紹了RBF網(wǎng)絡(luò)原理;通過誤差信息確定最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)致密砂巖相對(duì)滲透率的預(yù)測(cè);再利用預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算含水率,從而為致密砂巖油氣藏的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層結(jié)構(gòu)(圖1),即輸入層、隱含層和輸出層[21-22]。輸入層節(jié)點(diǎn)傳遞輸入信號(hào)到隱含層;隱含層節(jié)點(diǎn)是對(duì)輸入信號(hào)在局部產(chǎn)生響應(yīng),常用函數(shù)是高斯函數(shù);輸出層節(jié)點(diǎn)通常是線性函數(shù)。從輸入層空間到隱含層空間的變換是非線性的,而從隱含層空間到輸出層空間的變換是線性的。通常選擇測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)或巖心分析數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層,以輸出層為待預(yù)測(cè)參數(shù)。
相滲實(shí)驗(yàn)是獲得相對(duì)滲透率的主要手段,以巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入,將油、水相對(duì)滲透率作為輸出,利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)相對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)。
圖1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
基函數(shù)是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)的作用函數(shù)[21]。它有多種形式,其中最常用的是高斯函數(shù)。高斯函數(shù)表達(dá)式簡(jiǎn)單、解析性好、徑向?qū)ΨQ、任意階導(dǎo)數(shù)均存在,便于理論分析。其表達(dá)式為
式中:x是n維輸入變量;ci是第i個(gè)基函數(shù)的中心,與x具有相同維數(shù);σi是第i個(gè)感知變量(高斯寬度),可自由選擇,它決定了基函數(shù)圍繞中心點(diǎn)的寬度;m是感知單元的個(gè)數(shù)(隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù));‖xci‖是向量的范數(shù),表示x與ci之間的距離。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層實(shí)現(xiàn)從x→Gi(x)的非線性映射;輸出層實(shí)現(xiàn)從Gi(x)→yk的線性映射[23]
式中:yk是輸出節(jié)點(diǎn);wik是RBF網(wǎng)絡(luò)輸出權(quán)值。
RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法主要有:隨機(jī)算法、自組織學(xué)習(xí)算法和最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法,用來選取RBF的中心[20-22]。隨機(jī)算法和自組織學(xué)習(xí)算法適用于靜態(tài)模式的離線學(xué)習(xí),必須提前獲得所有可能的樣本數(shù)據(jù),且在學(xué)習(xí)前輸入數(shù)據(jù)的中心個(gè)數(shù)。而最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法是一種在線自適應(yīng)聚類學(xué)習(xí)算法,可在線學(xué)習(xí)且不需事先確定隱含層單元的個(gè)數(shù),完成聚類所得到的RBF網(wǎng)絡(luò)是最優(yōu)的,所以本文選擇更優(yōu)的最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法構(gòu)建模型,建立的RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出為
式中σb為最佳高斯寬度,它表征RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度,一般可通過實(shí)驗(yàn)或誤差信息來確定[23]。本文通過訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的均方誤差(MSE)和平均絕對(duì)誤差(MAE)隨高斯寬度的變化確定最佳高斯寬度。
利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),通常是將巖心隨機(jī)分為兩部分,即訓(xùn)練集和檢驗(yàn)集。對(duì)訓(xùn)練集樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,而檢驗(yàn)集則用于檢驗(yàn)。這種方法樣本的選取雖具有隨機(jī)性,但不同分類方法訓(xùn)練的結(jié)果可能有差異。為了消除此影響,本文采用Leave-one-out[21]方法:假設(shè)樣本總數(shù)為n,分別為s1、s2、…、sn,取出第一個(gè)樣本s1,將其余的s2、s3、…、sn作為訓(xùn)練集,然后用s1進(jìn)行檢驗(yàn),記錄誤差信息;再取出第二個(gè)樣本s2,同樣將剩下的s1、s3、…、sn作為訓(xùn)練集,用s2檢驗(yàn),記錄誤差信息;依此類推,取出第n個(gè)樣本sn,將s1、s2、…、sn-1進(jìn)行訓(xùn)練,用sn檢驗(yàn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是:所有的樣本都進(jìn)行了訓(xùn)練,同時(shí)每一個(gè)樣本又各自作為檢驗(yàn)集參與了驗(yàn)證,提高了預(yù)測(cè)的精確度;另外,也降低了分組不同的影響。
選取鄂爾多斯盆地隴東西部延長(zhǎng)組30塊巖心進(jìn)行相滲實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇最優(yōu)輸入?yún)?shù)。
圖2是該區(qū)兩種類型相滲曲線,從中可見油、水相對(duì)滲透率(Kro、Krw)是含水飽和度(Sw)的函數(shù),含水飽和度的變化直接影響油、水相對(duì)滲透率,可將含水飽和度作為一個(gè)輸入?yún)?shù)。含水飽和度與束縛水飽和度(Swi)相關(guān),即包含可動(dòng)水飽和度和束縛水飽和度兩部分。通常,對(duì)于油層,Sw=Swi;而水層,則Sw>Swi。顯然,束縛水飽和度也是影響相對(duì)滲透率的一個(gè)因素,可將束縛水飽和度作為第二個(gè)輸入?yún)?shù)。此外,滲透率與孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān),孔隙結(jié)構(gòu)由孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)直接反映,因此應(yīng)將孔隙度(φ)和滲透率(K)分別作為另外的輸入?yún)?shù)。表1是模型的輸入數(shù)據(jù)。
圖2 H300(a)和Y37(b)井巖心相滲曲線
高斯寬度是構(gòu)建最佳網(wǎng)絡(luò)模型的重要參數(shù),其大小決定了動(dòng)態(tài)自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度[21-23]。通過記錄均方誤差(MSE)和平均絕對(duì)誤差(MAE)隨高斯寬度的變化規(guī)律,選取誤差最小時(shí)的高斯寬度即為最佳高斯寬度。
圖3為水和油的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)誤差隨高斯寬度的變化。從水的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)誤差隨高斯寬度的變化(圖3a)可知,在σ=0.05處的MSE(0.34%)和MAE(3.8%)最小,此時(shí)RBF網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度最高;從油的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)誤差隨高斯寬度的變化(圖3b)可知,當(dāng)σ=0.02時(shí),MSE(0.01%)和MAE(0.53%)呈現(xiàn)極小值。
圖4a、圖4b分別是測(cè)試集的油、水相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)量結(jié)果的對(duì)比,對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果平均相對(duì)誤差為14.55%和11.58%,精度較高。
圖3 水(a)和油(b)的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)精度隨高斯寬度σ變化
表1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)表(部分?jǐn)?shù)據(jù))
圖4 水(a)和油(b)的相對(duì)滲透率預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果對(duì)比
含水率是產(chǎn)能預(yù)測(cè)和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要參數(shù),它是評(píng)價(jià)水驅(qū)油田開發(fā)效果、調(diào)整油田開發(fā)方案和分析油田開采動(dòng)態(tài)的重要依據(jù)。計(jì)算含水率的現(xiàn)行方法很多,如圖板法、水驅(qū)特征曲線法、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法等。其中,分流量方程計(jì)算含水率是一種常見的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法,其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、操作性強(qiáng),被廣泛應(yīng)用[24]。其公式為
式中:fw為含水率(無量綱);Qw、Qo分別為通過巖心的水和油的流量(cm3/s);μw、μo分別為水和油的黏度(mPa·s)。
基于達(dá)西公式,推導(dǎo)出方程
式中:Q為單位時(shí)間內(nèi)通過巖心的流量;K為巖石滲透率;μ為流體黏度;Δp為滲流截面間的壓差;A為巖心截面積;L為巖心長(zhǎng)度。
分析分流量方程,含水率計(jì)算的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲得油、水相對(duì)滲透率。本文以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8儲(chǔ)層為例,利用分流量方程,基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)相對(duì)滲透率,計(jì)算了目的層的含水率,并用試油結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
鄂爾多斯盆地是中國(guó)第二大沉積盆地,中生界三疊系延長(zhǎng)組富含豐富的油氣資源。隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部,區(qū)域橫跨伊陜斜坡、天環(huán)坳陷和西緣逆沖帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。沉積環(huán)境主要為三角洲平原和三角洲前緣亞相,發(fā)育巖性油氣藏。儲(chǔ)層主要為水下分流河道沉積的細(xì)砂巖,砂體分布范圍廣,且具有分區(qū)差異性,延長(zhǎng)組長(zhǎng)8段是該區(qū)重要的含油層系,研究區(qū)主體位于圖5藍(lán)色框內(nèi)。
長(zhǎng)8段儲(chǔ)層以長(zhǎng)石砂巖為主,填隙物主要為鐵方解石和綠泥石,物性差,孔隙度主要集中在4%~12%,平均值為8.72%,滲透率主要分布范圍是0.01~0.30m D,平均滲透率約為0.095m D,屬于典型的低孔、特低滲儲(chǔ)層。孔隙類型以粒間溶孔為主,還有其他各類溶孔,包括長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔以及晶間孔等,孔隙類型復(fù)雜多樣。
圖5 研究區(qū)位置圖
束縛水飽和度對(duì)于相對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)至關(guān)重要。通過核磁共振測(cè)井可得到準(zhǔn)確的可動(dòng)流體體積、束縛流體體積及束縛水飽和度等參數(shù)[25]。因此,在實(shí)際應(yīng)用時(shí),選擇核磁共振計(jì)算的飽和度作為輸入預(yù)測(cè)相對(duì)滲透率。
L124井是鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)的一口勘探井,該井的測(cè)井解釋成果圖(圖6)上第7列是利用RBF網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的油和水的相對(duì)滲透率;第8列是分流量方程計(jì)算的含水率;第9列和第10列分別是核磁共振資料處理得到的T2分布和不同孔隙流體組分體積。該井試油層為2274~2278m,將本文方法應(yīng)用到該井,計(jì)算該層含水率的平均值約為4.89%。試油顯示該層日產(chǎn)油10.46t,日產(chǎn)水為0。因此,試油結(jié)論為油層,根據(jù)含水率定義,實(shí)際含水率為0,與預(yù)測(cè)結(jié)果接近。
圖7是該區(qū)另一口C30井的長(zhǎng)8層測(cè)井解釋成果,其中第7~第10列顯示的各項(xiàng)參數(shù)同圖6。該井分別在1984~1993m、2026~2029m、2032~2036m層段試油。利用本文方法預(yù)測(cè)相對(duì)滲透率,計(jì)算含水率約為70.89%。試油顯示日產(chǎn)油6.12t,日產(chǎn)水13.8t,為油水同層,含水率約為69.28%??梢婎A(yù)測(cè)結(jié)果與試油數(shù)據(jù)接近。
圖6 L124井長(zhǎng)8儲(chǔ)層測(cè)井解釋成果圖
圖7 C30井長(zhǎng)8儲(chǔ)層測(cè)井解釋成果圖
在利用RBF網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)油水相對(duì)滲透率過程中,含水飽和度和束縛水飽和度是兩個(gè)敏感性參數(shù)。通過巖電實(shí)驗(yàn)擬合巖電參數(shù),利用阿爾奇公式計(jì)算含水飽和度,核磁共振束縛水飽和度與孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)()建立束縛水模型。由于這兩個(gè)參數(shù)模型較簡(jiǎn)單,預(yù)測(cè)過程中二者的準(zhǔn)確性對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果精度有一定影響,所以實(shí)際應(yīng)用中含水飽和度和束縛水飽和度必須準(zhǔn)確計(jì)算。
(1)在利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)的過程中,選取Sw、φ、K、Swi四個(gè)敏感參數(shù)作為輸入,實(shí)現(xiàn)對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層油水相對(duì)滲透率的預(yù)測(cè)。
(2)通過誤差信息隨高斯寬度的變化可確定最佳高斯寬度,進(jìn)而實(shí)施致密砂巖相對(duì)滲透率的預(yù)測(cè),其平均相對(duì)誤差分別為14.55%和11.68%,具有較高的精度。
(3)將本文方法應(yīng)用于鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)的儲(chǔ)層含水率計(jì)算,所得結(jié)果與試油數(shù)據(jù)吻合較好,證明了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。
利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)致密砂巖含水率的預(yù)測(cè),但該方法過于依賴巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),且訓(xùn)練樣本受地區(qū)、層位的影響較大。在實(shí)際應(yīng)用中,含水飽和度和束縛水飽和度兩個(gè)參數(shù)在很大程度上決定了預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。
附錄A 最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法
最近鄰聚類學(xué)習(xí)算法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下。
(1)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)母咚箤挾圈?,定義矢量A(l)用于存放屬于各類的輸出矢量之和,定義一個(gè)計(jì)數(shù)器B(l)用于統(tǒng)計(jì)屬于各類的樣本個(gè)數(shù),其中l(wèi)為類別數(shù)。
(2)從第1個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(x1,y1)開始,在x1上建立一個(gè)聚類中心,令c1=x1,A(1)=y(tǒng)1,B(1)=1。這樣建立的RBF網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)隱含單元,其中心是c1,該隱含單元到輸出層的權(quán)重為w1=A(1)/B(1)。
(3)考慮第2個(gè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)(x2,y2),求出x2到c1這個(gè)聚類中心的距離‖x2-c1‖。若‖x2-c1‖≤σ0,則c1為x2的最近聚類,且令A(yù)(1)=y(tǒng)1+y2,B(1)=2,w1=A(1)/B(1)。
(4)如果‖x2-c1‖>σ0,則將x2作為一個(gè)新的聚類中心,且令c2=x2,A(2)=y(tǒng)2,B(2)=1。在上面建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中再添加一個(gè)隱含層單元,該隱含層單元到輸出層的權(quán)重為w2=A(2)/B(2)。
(5)針對(duì)第k個(gè)樣本數(shù)據(jù)對(duì)(xk,yk),k=3、4、…、N,存在m個(gè)聚類中心,其中心點(diǎn)分別為c1、c2、…、cm,上述建立的RBF網(wǎng)絡(luò)中已有m個(gè)隱含層單元,分別求出xk到m個(gè)聚類中心的距離‖xk-cj‖,j=1、2、…、m。
設(shè)‖xk-cj‖為這些距離中的最小值,即cj為xk的最近鄰聚類。若‖xk-cj‖>σ0,則將xk作為一個(gè)新的聚類中心??闪頲m+1=xk,m=m+1,A(m)=y(tǒng)k,B(m)=1,并保持A(i)、B(i)值不變,i=1、2、…、m-1。在上述已建立的RBF網(wǎng)絡(luò)中再添加m個(gè)隱含層單元,該隱含層單元到輸出層的權(quán)重為wm=A(m)/B(m)。若‖xk-cj‖≤σ0,則A(j)=A(j)+yk,B(j)=B(j)+1。當(dāng)i≠j時(shí),保持A(i)、B(i)的值不變。隱含層單元到輸出層的權(quán)重為wi=A(i)/B(i),i=1、2、…、m。