王 錦,馮國(guó)奇,王 鑫
(1.中國(guó)石化中原油田分公司物探研究院,河南 濮陽(yáng) 457001;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)
砂礫巖儲(chǔ)層在油氣勘探開發(fā)過程中占據(jù)重要地位,尤其在我國(guó)東部的中、新生代陸相斷陷湖盆的東營(yíng)凹陷北部陡坡帶發(fā)育大量砂礫巖儲(chǔ)層,獲得了可觀的工業(yè)油流[1-4]。研究區(qū)LA區(qū)塊滾動(dòng)勘探開發(fā)時(shí)間較短,對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)相對(duì)薄弱。此外,砂礫巖儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各影響因素間多呈非線性關(guān)系。儲(chǔ)層非均質(zhì)性是決定儲(chǔ)層質(zhì)量的關(guān)鍵因素[5],影響油田開發(fā)效果。砂礫巖儲(chǔ)層縱向上砂體間儲(chǔ)層性質(zhì)差異程度多變,導(dǎo)致單因素表征層間非均質(zhì)性的角度各異性明顯,開展儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)工作難度較大。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量及儲(chǔ)層非均質(zhì)性評(píng)價(jià)開展了大量的研究。楊少春[6]利用熵權(quán)法對(duì)數(shù)值存在差異的屬性參數(shù)進(jìn)行去同存異處理,以非均質(zhì)綜合指數(shù)定量表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性;嚴(yán)科[7]針對(duì)非均質(zhì)定量表征角度各異性問題,提出基于儲(chǔ)層物性參數(shù)累積分布特征的新參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層宏觀非均質(zhì)表征;宮清順[8]借助地質(zhì)、測(cè)井、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等資料,從孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率韻律、夾層類型及分布樣式、有效砂體結(jié)構(gòu)及連通模式入手,深入剖析砂礫巖儲(chǔ)層宏觀、微觀非均質(zhì)性主因并對(duì)其表征。儲(chǔ)層質(zhì)量和非均質(zhì)性評(píng)價(jià)方法大多是利用模糊數(shù)學(xué)或灰色理論對(duì)多儲(chǔ)層評(píng)價(jià)因素做不確定性評(píng)價(jià),針對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層縱向上砂體間儲(chǔ)層性質(zhì)差異程度多變性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,若只考慮單一評(píng)價(jià)方法,評(píng)價(jià)結(jié)果間的差異性難以得到良好體現(xiàn)。因此,優(yōu)選非均質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo),聯(lián)合熵權(quán)法及模糊層次分析法,通過構(gòu)建熵權(quán)、模糊互補(bǔ)判別矩陣,有效擴(kuò)大評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性和解決角度各異性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)砂礫巖儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性定量表征;然后針對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量與各儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)間的非線性關(guān)系,利用極具靈活性和自適應(yīng)性的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建復(fù)雜函數(shù)關(guān)系,從而劃分砂礫巖儲(chǔ)層類型,客觀有效地實(shí)現(xiàn)砂礫巖儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層平面展布預(yù)測(cè)。
東營(yíng)凹陷北部陡坡帶面積約1 500 km2,具有坡度陡、物源和油源供應(yīng)充足的特點(diǎn)[9],構(gòu)造上整體受陳南和濱利兩套斷裂帶系統(tǒng)控制[10],形成“北斷南超”、山高谷深、溝梁相間的古地貌特征[11]。研究區(qū)LA區(qū)塊處于陡坡帶的西段二臺(tái)階,北為陳家莊凸起,西鄰濱縣凸起,東鄰民豐洼陷,南為利津洼陷,北部靠近物源區(qū)陳家莊凸起(圖1)。根據(jù)試油資料顯示,研究區(qū)沙四上亞段的7、8砂組為主力含油層,7砂組可劃分為8個(gè)小層,8砂組可劃分為7個(gè)小層。巖性以礫巖、含礫砂巖、中-粗砂巖和暗色泥巖為主,具有空間上混雜堆積、相變快、物性差、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)[12-14]。研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層成分成熟度較高,巖石組成以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主;儲(chǔ)層平均孔隙度為8.56%,平均滲透率為4.73×10-3μm2,屬于低孔、低滲儲(chǔ)層(圖2)。
圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置
圖2 LA區(qū)塊沙四上亞段巖性分類及巖心分析孔隙度、滲透率分布頻率
儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性是指儲(chǔ)層在縱向上砂體間儲(chǔ)層性質(zhì)的差異程度[15],是影響儲(chǔ)層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,由于砂礫巖儲(chǔ)層差異程度的多變性受多種因素控制和影響,導(dǎo)致儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性表征難度增加。針對(duì)該問題,文中通過聯(lián)合熵權(quán)法及模糊層次分析法進(jìn)行定量表征。
熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)的方法,主要通過熵值來確定指標(biāo)的重要程度,最大特點(diǎn)為“去同存異”,使得數(shù)值差別不大的屬性對(duì)非均質(zhì)綜合指數(shù)弱化,差別較大的屬性對(duì)非均質(zhì)綜合指數(shù)強(qiáng)化。通常指標(biāo)熵值越小,差異系數(shù)越大,差別程度越強(qiáng),其權(quán)重越大[6,16]。研究區(qū)以砂礫巖儲(chǔ)層發(fā)育為主,該類儲(chǔ)層相對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值間差異性更小,單從熵權(quán)法出發(fā),難以有效擴(kuò)大評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性,因此將其與模糊層次分析法[17]相結(jié)合,得到各個(gè)指標(biāo)的熵值之后,再考慮不同熵權(quán)之間的相互關(guān)系,求取各個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的熵權(quán)的客觀權(quán)重,進(jìn)而得到非均質(zhì)綜合指數(shù),該結(jié)果可有效擴(kuò)大不同層位之間指數(shù)的差異性,取得更好的評(píng)價(jià)結(jié)果。
基本算法如下:
①確定對(duì)象集合。確定LA區(qū)塊需要評(píng)價(jià)計(jì)算的各井集合,記為:
②確定指標(biāo)因素的集合。熵權(quán)法與主成分分析法思路相近,可篩選出對(duì)非均質(zhì)貢獻(xiàn)突出的參數(shù)指標(biāo)并賦予較大熵權(quán)[6]。同時(shí),保證選取的指標(biāo)涵蓋評(píng)價(jià)儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性的多個(gè)方面且各指標(biāo)間相互獨(dú)立。選取重要參數(shù)有:孔隙度、滲透率(代表儲(chǔ)層儲(chǔ)集、滲流能力)、滲透率變異系數(shù)(代表儲(chǔ)層滲透率離散程度)、儲(chǔ)層厚度(代表儲(chǔ)層實(shí)際發(fā)育情況)、夾層厚度(代表對(duì)儲(chǔ)層油氣阻擋能力)[18],記為:
式中:P1=a11a21…an1,P2=a12a22…an2,P3=a13a23…an3,Pm=a1ma2m…,anm
③確定指標(biāo)矩陣。矩陣元素為屬性參數(shù),aij表示i井對(duì)應(yīng)j參數(shù)的數(shù)值。
④指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化,將矩陣A中aij經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到bij,從而確定矩陣B。其中對(duì)于滲透率、孔隙度、儲(chǔ)層厚度值越大,對(duì)應(yīng)的層間非均質(zhì)性越弱,則使用式(4)做標(biāo)準(zhǔn)化處理;對(duì)于滲透率變異系數(shù)、夾層厚度值越大,對(duì)應(yīng)層間非均質(zhì)性越強(qiáng),則使用式(5)作處理。
⑤計(jì)算各指標(biāo)的熵值H。利用式(7)求取式(8)中各個(gè)指標(biāo)的熵值。
根據(jù)熵的極值性,當(dāng)各指標(biāo)的水平值越接近,其熵值越大。因此用最大熵值H(Pj)max=lg n對(duì)公式(7)所得到的熵值進(jìn)行歸一化處理,得到表征指標(biāo)Pj的相對(duì)重要程度的信息熵E(Pj)。
⑥考慮不同熵權(quán)之間的相互關(guān)系,將其與模糊層次分析法結(jié)合,以E2s417-1小層為例,利用公式(9)構(gòu)建由熵權(quán)得到的模糊互補(bǔ)判斷矩陣(10)。
對(duì)于模糊互補(bǔ)矩陣,滿足0≤cij≤1,且cij+cji=1,cij=0.5表示指標(biāo)i和指標(biāo)j同等重要,cij>0.5表示指標(biāo)i重要性高于指標(biāo)j,反之亦然。若cij=cik+ckj+0.5,則該矩陣為模糊一致判斷矩陣[19]。
式中:wi為第i種指標(biāo)的客觀權(quán)重,無(wú)量綱;x為指標(biāo)個(gè)數(shù);θ為調(diào)整系數(shù),該值越小,權(quán)重之間的差異越大,代表重視指標(biāo)間程度的差異。
表1 LA區(qū)塊E2 s41 7-1小層非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重值
⑧計(jì)算非均質(zhì)綜合指數(shù)I:
式中:W為權(quán)重向量;T表明矩陣轉(zhuǎn)量,0<I<1,I值越小,表示非均質(zhì)性越強(qiáng);反之亦然。
分別用熵權(quán)法和綜合熵權(quán)法與模糊層次分析法計(jì)算LA區(qū)塊沙四上亞段7砂組和8砂組主力層內(nèi)各個(gè)小層非均質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù),并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3a、3b)。由圖3a可以看出,E2s418-2、E2s418-3小層非均質(zhì)性較強(qiáng),E2s417-3、E2s417-4小層非均質(zhì)性較弱。
圖3 LA區(qū)塊沙四上亞段儲(chǔ)層層間非均質(zhì)綜合指數(shù)
與單一利用熵權(quán)法(常規(guī)方法)表征砂礫巖儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性相比,基于熵權(quán)法與模糊層次分析法的儲(chǔ)層層間非均質(zhì)綜合指數(shù)能夠克服傳統(tǒng)方法的各參數(shù)表征角度各異、評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)邊界、各參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果相互矛盾等問題,有效擴(kuò)大評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性,更好地體現(xiàn)綜合性和定量性,減少不確定性。
研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),需要借助多方面、多角度評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行表征來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層質(zhì)量的定量評(píng)價(jià),但儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜,相互間多呈非線性關(guān)系,并且復(fù)雜的關(guān)系與最終結(jié)果的準(zhǔn)確度相對(duì)立[20],想要通過常規(guī)方法得到儲(chǔ)層質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)更為困難?,F(xiàn)代興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可通過自身機(jī)器學(xué)習(xí),較為智能地解決上述復(fù)雜問題[21-23]。文中通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解決關(guān)系復(fù)雜的非線性問題,較好地實(shí)現(xiàn)研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中應(yīng)用最為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,屬于多層前向型網(wǎng)絡(luò),由多個(gè)輸入層、一個(gè)輸出層和多個(gè)隱含層組成(圖4a)。首先將訓(xùn)練數(shù)據(jù)加載至網(wǎng)絡(luò)的輸入層中,靠自身逐層訓(xùn)練至輸出層,得到相應(yīng)的“預(yù)估值”,再將“預(yù)估值”代入交叉熵?fù)p失函數(shù)中計(jì)算誤差,然后通過機(jī)器不斷學(xué)習(xí)并利用誤差反向傳播訓(xùn)練算法,反向從輸出層對(duì)連接權(quán)值進(jìn)行修改,并逐步后退至各層和節(jié)點(diǎn),最后直至隱含層,通過持續(xù)迭代修正連接權(quán)值和閾值,確保均方根誤差控制在相應(yīng)的誤差精度范圍內(nèi),最終建立多元輸入數(shù)據(jù)與單元輸出數(shù)據(jù)之間非線性映射關(guān)系,從而得到期望結(jié)果,完成網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)(圖4b)。
圖4 BP結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)絡(luò)算法流程
3.2.1 儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)優(yōu)選探討
儲(chǔ)層質(zhì)量是儲(chǔ)層儲(chǔ)集和滲流能力的表達(dá)[24-25],儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)選擇的參數(shù)最好是相互獨(dú)立的、屬性意義明確的,盡可能評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的各個(gè)方面。文中選擇的儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)包括非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指數(shù)、成巖相(壓實(shí)減孔率、膠結(jié)減孔率、溶蝕増孔率)、砂體厚度、砂地比。有些學(xué)者會(huì)使用比較新的評(píng)價(jià)指標(biāo),例如基于壓汞、核磁實(shí)驗(yàn)等得到的排驅(qū)壓力、孔喉半徑、飽和度、閾壓梯度等微觀機(jī)理分析指標(biāo)[26-27],但這些指標(biāo)實(shí)際受限較大,并不能有效指導(dǎo)宏觀儲(chǔ)層評(píng)價(jià)。
3.2.2 構(gòu)造輸入層和輸出層
儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的輸入層為非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指數(shù)、壓實(shí)減孔率、膠結(jié)減孔率、溶蝕増孔率、砂體厚度和砂地比;輸出層根據(jù)生產(chǎn)情況劃分為五類儲(chǔ)層,分別以指標(biāo)值0.8~1.0、0.6~0.8、0.4~0.6、0.2~0.4、0~0.2進(jìn)行劃分。
3.2.3 建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),輸入層節(jié)點(diǎn)為6(6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)),輸出層節(jié)點(diǎn)為1(儲(chǔ)層評(píng)價(jià)綜合指數(shù));根據(jù)經(jīng)驗(yàn),將隱含層節(jié)點(diǎn)設(shè)為20,建立研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層類型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型(圖4a)。
3.2.4 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練
將沙四上亞段7砂組和8砂組中的174個(gè)樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)(占總樣本數(shù)的80%),用于機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練;22個(gè)樣本點(diǎn)作為檢驗(yàn)樣本(占總樣本數(shù)的10%),用于驗(yàn)證學(xué)習(xí)結(jié)果的準(zhǔn)確性;22個(gè)樣本點(diǎn)作為測(cè)試樣本(占總樣本數(shù)的10%),用于機(jī)器預(yù)測(cè)儲(chǔ)層類型。
3.2.5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果分析
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)最大訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為1 000,誤差精度為1×10-4。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)誤差小于給定的誤差時(shí)訓(xùn)練結(jié)束,訓(xùn)練共進(jìn)行16步,在第10步時(shí)效果最佳,均方差最小為0.000 579 94(圖5)。
圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練誤差傳播曲線
由圖6可知,三條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.90,從訓(xùn)練至測(cè)試效果都能達(dá)到很好的擬合并反向?qū)θ斯そ忉屵M(jìn)行指導(dǎo),本次機(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確度較高,得到的結(jié)果即為預(yù)期想要得到的結(jié)果。
圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練、檢驗(yàn)、測(cè)試擬合曲線
通過機(jī)器識(shí)別結(jié)果和人工解釋結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)類型與實(shí)際人工劃分的儲(chǔ)層類型基本一致,用其對(duì)22個(gè)測(cè)試樣本進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果中有20個(gè)結(jié)果識(shí)別正確,預(yù)測(cè)儲(chǔ)層類型的準(zhǔn)確率大于90.09%(表2)。相反,人工進(jìn)行儲(chǔ)層分類時(shí)有時(shí)并不十分精確,且花費(fèi)的時(shí)間成本較高。因此,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果可提供快速有效的參考。
表2 LA區(qū)塊目的層砂礫巖儲(chǔ)層類型識(shí)別結(jié)果
通過從各角度選擇多評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià),儲(chǔ)層類型可分為五類:Ⅰ(好)、Ⅱ(較好)、Ⅲ(中等)、Ⅳ(較差)、Ⅴ(差)。其中Ⅰ類儲(chǔ)層指標(biāo)值為0.8~1.0,Ⅱ類儲(chǔ)層指標(biāo)值為0.6~0.8,Ⅲ類儲(chǔ)層指標(biāo)值為0.4~0.6,Ⅳ類儲(chǔ)層指標(biāo)值為0.2~0.4,Ⅴ類儲(chǔ)層指標(biāo)值為0~0.2。
通過對(duì)各類儲(chǔ)層與其對(duì)應(yīng)的單井地質(zhì)特征進(jìn)行比較,認(rèn)為實(shí)踐結(jié)果與單井地質(zhì)認(rèn)識(shí)具有良好的匹配關(guān)系。研究區(qū)目的層以Ⅱ類和Ⅲ類儲(chǔ)層居多,Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層巖性多以中-粗砂巖、含礫砂巖、細(xì)礫巖為主,對(duì)應(yīng)沉積微相為溝道和辮狀水道,物性較好,含油性較好,可作地質(zhì)甜點(diǎn)(圖7a,7b);Ⅲ類儲(chǔ)層巖性以中-粗砂巖為主,發(fā)育辮狀水道,但物性中等,含油性一般(圖7c);Ⅳ類儲(chǔ)層以粉細(xì)砂巖為主,對(duì)應(yīng)扇中前緣沉積,物性較差,含油性多顯示熒光(圖7d);Ⅴ類儲(chǔ)層幾乎不含油,對(duì)實(shí)際開發(fā)作用不大,因此這里不考慮(圖8)。
圖7 LA區(qū)塊沙四上亞段各類儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)單井地質(zhì)特征
以L2井為例,儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)認(rèn)識(shí)相吻合(圖8a)。綜合單井主力層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果和以其結(jié)果作為目標(biāo)屬性進(jìn)行反演得到的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)體,預(yù)測(cè)儲(chǔ)層類型在平面上的展布(圖8b、8c)。由儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)平面分布圖可以看出,整體上儲(chǔ)層類型區(qū)分明顯,儲(chǔ)層展布較為精細(xì),類型較好的儲(chǔ)層在平面上多呈條帶狀,較為貼近河道主體沉積。綜上所述,評(píng)價(jià)成果可較好地劃分儲(chǔ)層類型,為砂礫巖儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)及優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供較好的應(yīng)用前景,也為其他地區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。
圖8 L2井7、8砂組儲(chǔ)層綜合柱狀圖及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)(8-3小層)
(1)綜合利用熵權(quán)法與模糊層次分析法,構(gòu)建熵權(quán)、模糊互補(bǔ)判別矩陣,有效擴(kuò)大評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性,從而得到儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性評(píng)價(jià)指數(shù),能夠更好地克服傳統(tǒng)方法各參數(shù)表征角度各異、評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)邊界、各參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果相互矛盾等問題,更好地體現(xiàn)綜合性和定量性,減少不確定性。
(2)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將LA區(qū)塊沙四上亞段砂礫巖儲(chǔ)層劃分為五種類型,研究區(qū)以Ⅱ類和Ⅲ類儲(chǔ)層發(fā)育為主,Ⅰ類和Ⅱ類儲(chǔ)層可作為有利的地質(zhì)甜點(diǎn)。最終預(yù)測(cè)儲(chǔ)層類型平面展布,儲(chǔ)層類型較好的平面上多呈條帶狀,較為貼近河道主體沉積,分 類結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)認(rèn)識(shí)相吻合。