利用彈性參數(shù)識(shí)別致密砂巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)

邊會(huì)媛+王飛+岳崇旺+張永浩

摘要：鄂爾多斯盆地蘇里格氣田致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)層低孔、低滲、非均質(zhì)性特征明顯，儲(chǔ)層流體識(shí)別困難。基于偶極聲波測(cè)井資料，以致密砂巖巖石彈性參數(shù)為基礎(chǔ)，利用指標(biāo)法、交會(huì)圖分析法、支持向量機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別的方法研究。結(jié)果表明：縱橫波時(shí)差比、地層壓縮系數(shù)與泊松比比值、縱波彈性模量差比可以作為氣層識(shí)別的指標(biāo)；引入流體敏感度評(píng)價(jià)參數(shù)，優(yōu)選出能敏感反映儲(chǔ)層含氣性的彈性參數(shù)，如拉梅系數(shù)與密度之積、拉梅系數(shù)、體積模量、拉梅系數(shù)與剪切模量之比、彈性模量，結(jié)合支持向量機(jī)對(duì)流體進(jìn)行識(shí)別，能夠提高流體識(shí)別精度；對(duì)有試氣結(jié)論的儲(chǔ)層樣本進(jìn)行實(shí)際分類(lèi)處理，利用支持向量機(jī)判別樣本的成功率為92%。通過(guò)對(duì)蘇里格氣田的X350井進(jìn)行實(shí)際分類(lèi)處理，并經(jīng)過(guò)試氣結(jié)論驗(yàn)證，證明優(yōu)選能敏感反映儲(chǔ)層含氣性的彈性參數(shù)，結(jié)合支持向量機(jī)對(duì)儲(chǔ)層流體進(jìn)行識(shí)別的方法是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞：測(cè)井學(xué)；流體識(shí)別；彈性參數(shù)；氣層指標(biāo)；支持向量機(jī)；敏感度；交會(huì)圖；致密砂巖

中圖分類(lèi)號(hào)：P631；TE122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

儲(chǔ)層含氣時(shí)，巖石的力學(xué)參數(shù)將會(huì)發(fā)生改變，如縱波時(shí)差增大，橫波時(shí)差基本不變，儲(chǔ)層巖石泊松比降低，地層壓縮系數(shù)升高等[1]。利用偶極聲波測(cè)井資料分析得到的縱橫波時(shí)差，結(jié)合常規(guī)密度測(cè)井資料可以得到儲(chǔ)層巖石的彈性模量、體積模量以及泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)，這些彈性參數(shù)都能在一定程度上反映儲(chǔ)層的含氣性[24]。支持向量機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，泛化能力比較強(qiáng)，且能夠克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在局部極小點(diǎn)的缺點(diǎn)，尤其是在解決小樣本、非線(xiàn)性和高維數(shù)模式識(shí)別方面具有特有的優(yōu)勢(shì)，能夠用于儲(chǔ)層的流體識(shí)別[510]。

蘇里格氣田致密砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲(chǔ)層低孔、低滲、非均質(zhì)性特征明顯，儲(chǔ)層流體識(shí)別困難[1112]。筆者利用偶極聲波測(cè)井資料，建立縱橫波時(shí)差比、地層壓縮系數(shù)與泊松比比值、縱波彈性模量差比3個(gè)氣層識(shí)別指標(biāo)來(lái)進(jìn)行流體識(shí)別，并且利用交會(huì)圖分析法研究巖石各種彈性屬性之間的相互關(guān)系，確定能夠區(qū)分儲(chǔ)層巖性及含氣性的彈性參數(shù)。由于蘇里格氣田地質(zhì)條件復(fù)雜，交會(huì)圖分析法不能將反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)的影響因素綜合考慮進(jìn)來(lái)，進(jìn)而影響流體性質(zhì)的識(shí)別精度，為此引入流體敏感度評(píng)價(jià)參數(shù)，優(yōu)選出反映儲(chǔ)層含氣性敏感的彈性參數(shù)，結(jié)合支持向量機(jī)對(duì)流體進(jìn)行識(shí)別，提高流體識(shí)別精度。

1單參數(shù)流體識(shí)別指標(biāo)法

在含氣地層中，地層縱波速度減小明顯，而橫波速度基本不變，因此，與飽含水地層的縱橫波速度比比較，含氣地層的縱橫波速度比偏小，并且油、氣、水的壓縮系數(shù)是不同的。氣的壓縮系數(shù)最大，水的壓縮系數(shù)最?。ū?）。根據(jù)氣、水的這些性質(zhì)可以識(shí)別氣層。

1.1縱橫波時(shí)差比

當(dāng)巖石中天然氣飽和時(shí)，縱波時(shí)差會(huì)增大，橫波時(shí)差基本不變，導(dǎo)致縱橫波時(shí)差比增大，因此，可通過(guò)完全飽和水時(shí)縱橫波時(shí)差比與實(shí)測(cè)縱橫波時(shí)差比的差值來(lái)指示氣層。

氣層識(shí)別指標(biāo)ΔR的計(jì)算公式為ΔR=DTRW-DTR（3）流體識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)聲波全波資料獲得儲(chǔ)層含氣時(shí)巖石的縱橫波時(shí)差比實(shí)際值，將其與純水層巖石的縱橫波時(shí)差比進(jìn)行比較，當(dāng)前者大于后者時(shí)，即儲(chǔ)層縱橫波時(shí)差比小于水層背景值，則認(rèn)為儲(chǔ)層是氣層。

1.2地層壓縮系數(shù)與泊松比比值

當(dāng)巖石中天然氣飽和時(shí)，地層壓縮系數(shù)（CB）增大，泊松比（σ）減小，從而導(dǎo)致CB/σ值增大。地層壓縮系數(shù)計(jì)算公式為[15]CB=1/K=1/[ρ（V2p-4V2s/3）]（4）泊松比計(jì)算公式為σ=（VpVs）2-22[（VpVs）2-1]（5）式中：ρ為地層體積密度；K為流體飽和巖石體積模量；Vp為地層縱波速度；Vs為地層橫波速度。

流體識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)巖石中天然氣飽和時(shí)，地層壓縮系數(shù)會(huì)增大，泊松比會(huì)減小，地層壓縮系數(shù)與泊松比呈鏡像變化特征。

1.4小結(jié)

利用縱橫波時(shí)差比、地層壓縮系數(shù)與泊松比比值、縱波彈性模量差比3個(gè)指標(biāo)對(duì)實(shí)際資料進(jìn)行處理（圖1）。由圖1可見(jiàn)，含氣儲(chǔ)層的地層壓縮系數(shù)與泊松比曲線(xiàn)成麻花狀。儲(chǔ)層含氣時(shí)巖石的縱橫波時(shí)差比小于純水層巖石的縱橫波時(shí)差比，巖石的氣層識(shí)別指標(biāo)大于純水層氣層識(shí)別指標(biāo)；對(duì)于水層，儲(chǔ)層含氣時(shí)巖石的縱橫波時(shí)差比與純水層巖石的縱橫波時(shí)差比重合，巖石的氣層識(shí)別指標(biāo)小于純水層氣層識(shí)別指標(biāo)，彈性指標(biāo)能很好地區(qū)分氣層和水層。

2利用交會(huì)圖分析法識(shí)別流體性質(zhì)

交會(huì)圖分析法可以對(duì)各種屬性之間的關(guān)系進(jìn)行研究，成為儲(chǔ)層描述的重要研究方法之一[1724]。利用交會(huì)圖分析法對(duì)蘇里格氣田有試氣資料的地層進(jìn)行研究，分析顯示巖石的彈性參數(shù)能夠很好地區(qū)分巖性，并且對(duì)氣層與非氣層也有明顯的指示作用。因此，選取蘇里格氣田盒8段儲(chǔ)層有試氣結(jié)論的井段數(shù)據(jù)做交會(huì)圖（圖2）。

3利用支持向量機(jī)識(shí)別流體性質(zhì)

雖然交會(huì)圖可以在一定程度上將流體識(shí)別出來(lái)，但是交會(huì)圖的確立受人為影響比較大，并且蘇里格氣田地質(zhì)條件復(fù)雜，交會(huì)圖分析法不能將反映儲(chǔ)層流體性質(zhì)的影響因素綜合考慮進(jìn)來(lái)，進(jìn)而影響流體性質(zhì)的識(shí)別精度。由于不同彈性參數(shù)對(duì)流體識(shí)別敏感度不同，篩選儲(chǔ)層含氣時(shí)靈敏度比較高的參數(shù)，引入支持向量機(jī)綜合識(shí)別流體性質(zhì)[2526]。

3.1流體參數(shù)敏感性分析

為了定量確定各彈性參數(shù)對(duì)流體識(shí)別的靈敏度，定義流體識(shí)別敏感度參數(shù)（S）的計(jì)算公式為S=2|P-Pg|P+Pg（8）式中：P、Pg分別為干層和氣層的流體識(shí)別因子。

流體識(shí)別敏感度參數(shù)越大，說(shuō)明識(shí)別因子對(duì)氣層的識(shí)別效果越好。對(duì)不同彈性參數(shù)區(qū)分氣層與干層的靈敏度進(jìn)行分析（圖3），區(qū)分氣層與干層敏感度較好的參數(shù)依次為拉梅系數(shù)與密度之積（λρ）、拉梅系數(shù)（λ）、體積模量（K）、拉梅系數(shù)與剪切模量之比（λ/G）、彈性模量（E）、剪切模量（G）、泊松比（σ）、縱波阻抗（Ip）、橫波阻抗（Is）、橫波速度（Vp）、縱波速度（Vs）、縱橫波速度比（Vp/Vs）。

3.2支持向量機(jī)的原理

支持向量機(jī)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法。其統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論是采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則，在最小化樣本點(diǎn)誤差的同時(shí)，最小化結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，提高模型的泛化能力，且沒(méi)有數(shù)據(jù)維數(shù)的限制。利用支持向量機(jī)算法進(jìn)行流體識(shí)別的具體步驟如下[2729]。

第1步：產(chǎn)生訓(xùn)練樣本/預(yù)測(cè)樣本。在蘇里格氣田選取有試氣結(jié)論的儲(chǔ)層，將不同儲(chǔ)層所對(duì)應(yīng)的彈性參數(shù)作為訓(xùn)練樣本，利用支持向量機(jī)對(duì)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練所用的彈性參數(shù)選取流體識(shí)別靈敏度最高的5個(gè)彈性參數(shù)，分別為拉梅系數(shù)與密度之積、拉梅系數(shù)、體積模量、拉梅系數(shù)與剪切模量之比、彈性模量。訓(xùn)練選取的樣本為100個(gè)，其中氣水同層樣本10個(gè)，氣層樣本25個(gè)，差氣層樣本15個(gè)，干層樣本20個(gè)，泥巖樣本30個(gè)；另選取有試氣結(jié)論的50個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)樣本。

第2步：創(chuàng)建/訓(xùn)練支持向量機(jī)診斷模型。由于系統(tǒng)中各影響因素量綱不同，在比較分析時(shí)會(huì)很大程度地影響權(quán)重，難以得到正確結(jié)論，所以在創(chuàng)建支持向量機(jī)診斷模型前需要對(duì)彈性參數(shù)進(jìn)行歸一化處理；同時(shí)，選擇合適的核函數(shù)類(lèi)型及參數(shù)。筆者選用徑向基核函數(shù)（RBF），并用粒子群算法尋找最佳參數(shù)c（懲罰因子）和參數(shù)g（RBF核函數(shù)中的方差），然后利用最佳參數(shù)訓(xùn)練診斷模型。

第3步：預(yù)測(cè)樣本測(cè)試。當(dāng)支持向量機(jī)診斷模型訓(xùn)練好后，輸入預(yù)測(cè)樣本的類(lèi)別標(biāo)簽，并利用創(chuàng)建好的診斷模型對(duì)預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以得到預(yù)測(cè)的類(lèi)別標(biāo)簽及正確率。

第4步：性能評(píng)價(jià)。依據(jù)預(yù)測(cè)樣本測(cè)試結(jié)果，對(duì)所建立的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。

利用支持向量機(jī)對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練，回判的結(jié)果與原始樣本分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖4（a）。100個(gè)樣本的回判成功率為100%。利用支持向量機(jī)對(duì)預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4（b）。預(yù)測(cè)成功46個(gè)，成功率為92%，說(shuō)明利用支持向量機(jī)進(jìn)行流體識(shí)別的穩(wěn)定性較好。

3.3支持向量機(jī)預(yù)測(cè)效果分析

以X350井的支持向量機(jī)識(shí)別流體效果為例（圖5），從支持向量機(jī)結(jié)論中可以看出支持向量機(jī)解釋1、2小層為氣層，試氣產(chǎn)量為日產(chǎn)氣21 286 m3，日產(chǎn)水0 m3 ，試氣結(jié)果為氣層，解釋結(jié)論與試氣結(jié)論相符。支持向量機(jī)解釋5、6、7小層為氣水同層。試氣產(chǎn)量為日產(chǎn)氣54 411 m3，日產(chǎn)水7.5 m3，試氣結(jié)論為氣水同層，解釋結(jié)論與試氣結(jié)論相符。

4結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于致密砂巖氣層，可以利用巖石的聲學(xué)特性對(duì)儲(chǔ)層流體進(jìn)行識(shí)別。縱橫波時(shí)差比、地層壓縮系數(shù)與泊松比比值、縱波彈性模量差比可以作為氣層識(shí)別的指標(biāo)。

（2）不同彈性參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層的含氣性指示敏感度有差異。利用彈性參數(shù)的這些屬性，建立合理的交會(huì)圖，可以對(duì)流體進(jìn)行有效識(shí)別。

（3）不同彈性參數(shù)對(duì)流體識(shí)別的敏感度不同。選取對(duì)氣層識(shí)別敏感度較高的彈性參數(shù)，引入支持向量機(jī)，綜合利用這些參數(shù)對(duì)流體進(jìn)行識(shí)別，可以提高流體的識(shí)別精度。

（4）本文是基于縱橫波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行的研究，但是油田大部分井沒(méi)有陣列聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，這將使本文的方法應(yīng)用受到一定限制。

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[29]張爾華，關(guān)曉巍，張?jiān)?支持向量機(jī)模型在火山巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中的應(yīng)用：以徐家圍子斷陷徐東斜坡帶為例[J].地球物理學(xué)報(bào)，2011，54（2）：428432.

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[17]楊麗兵，李瑞，梁濤.偶極橫波測(cè)井在川東北地區(qū)氣水識(shí)別中的應(yīng)用[J].勘探地球物理進(jìn)展，2009，32（1）：6872.

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[18]李霞，石玉江，王玲，等.致密砂巖氣層測(cè)井識(shí)別與評(píng)價(jià)技術(shù)：以蘇里格氣田為例[J].天然氣地球科學(xué)，2013，24（1）：6268.

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[19]劉衛(wèi)華，高建虎，陳啟艷，等.測(cè)井資料巖石物理分析在蘇西地區(qū)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25（3）：939945.

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