井組級(jí)多參數(shù)層系快速智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法研究與應(yīng)用

高雯，王小寧，馬新凱，韓濤，彭博，裴云龍，郭文敏，邢國強(qiáng)

（1.中國石油長慶油田分公司第九采油廠，寧夏銀川 750006；2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州 213000）

由于地下儲(chǔ)層非均質(zhì)性的存在，油田前期開發(fā)方案的設(shè)計(jì)以及后期調(diào)整措施的實(shí)施，其根本目的在于解決油田開發(fā)過程中受地質(zhì)、流體等因素引起的縱向、平面非均質(zhì)性影響開發(fā)效果的矛盾，其中層系劃分重組是解決縱向非均質(zhì)性矛盾的首要方式，通過近似層組合降低層間非均質(zhì)性以達(dá)到提高采收率的目的。為此需要開展井組級(jí)多參數(shù)層系快速智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法研究。目前通過智能化方法進(jìn)行層系快速劃分主要采用模糊聚類分析方法、枚舉法以及平均隸屬度方法。在模糊聚類分析方法上：陳明強(qiáng)等[1]利用模糊聚類分析方法對(duì)油氣田開發(fā)層系進(jìn)行劃分，他們認(rèn)為利用模糊聚類方法進(jìn)行層系劃分使層系的差異性更加恰當(dāng)且劃分的結(jié)果更加準(zhǔn)確。張順康等[2]基于熵權(quán)算法進(jìn)行了劃分層系，他們認(rèn)為該方法能夠避免人為主觀因素的干擾，同時(shí)層系劃分的結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。誠然，還有部分學(xué)者利用模糊聚類方法進(jìn)行層系劃分[3-5]，但他們方法的核心都是模糊聚類方法。在利用枚舉法進(jìn)行層系劃分的研究方面：崔傳智等[6]基于枚舉法，綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兩方面，建立了層系重組優(yōu)化方法，篩選出了最優(yōu)方案。而本文則利用人工智能領(lǐng)域常用的平均隸屬度方法[7-10]，計(jì)算評(píng)價(jià)值大小，確定評(píng)價(jià)等級(jí)，通過優(yōu)選層系評(píng)價(jià)參數(shù)以及明確參數(shù)等級(jí)范圍，可以快速有效地分析各井組的層間矛盾以及后期的發(fā)展趨勢(shì)，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)機(jī)的確定提供有效的技術(shù)支持。

1 多參數(shù)智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法建立

1.1 非均質(zhì)性的表述形式

一般對(duì)于非均質(zhì)性的表述方法主要有滲透率級(jí)差、突進(jìn)系數(shù)、變異系數(shù)、洛倫茲系數(shù)等，其中級(jí)差表示形式為最大值與最小值之比，但當(dāng)最小值存在0 值時(shí)，級(jí)差的表述形式不適合；突進(jìn)系數(shù)為最大值與平均值之比，當(dāng)最大值比較大時(shí)，突進(jìn)系數(shù)變得較大，不易確定其上限大小；變異系數(shù)和洛倫茲系數(shù)為統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的表征形式，形式相對(duì)復(fù)雜，參數(shù)大小的直觀性差。為此，對(duì)于層間非均質(zhì)性的表述，采用突進(jìn)系數(shù)的倒數(shù)作為表征縱向差異的大小參數(shù)，即：，可見該值范圍始終處于0～1。

1.2 層系評(píng)價(jià)參數(shù)的優(yōu)選及其非均質(zhì)性表征

目前，對(duì)于層系的評(píng)價(jià)，多數(shù)選擇各小層滲透率計(jì)算層間非均質(zhì)性，采用滲透率級(jí)差、洛倫茲系數(shù)等非均質(zhì)性表征方法進(jìn)行層系劃分和評(píng)價(jià)。

但在水驅(qū)開發(fā)過程中，層系的縱向滲流差異并非靜態(tài)，而是受油水黏度差異、相對(duì)滲透率、毛管力等因素的影響，各小層表現(xiàn)出的滲流能力或滲流阻力呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，所以單純采用滲透率作為層系劃分效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在面積相對(duì)較小的井組范圍內(nèi)評(píng)價(jià)層間開發(fā)矛盾，勢(shì)必指標(biāo)選取過于簡(jiǎn)單。

油田的開發(fā)層間差異表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)變化特征，不同開發(fā)階段層間差異不同，層系的評(píng)價(jià)應(yīng)該除使用常規(guī)的靜態(tài)層間滲透率差異外，還應(yīng)考慮水驅(qū)過程中以注水井為中心，水驅(qū)前緣逐步向外推進(jìn)引起的包含時(shí)間概念的四維矛盾變化而引起矛盾參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，層間矛盾的評(píng)價(jià)應(yīng)該是多參數(shù)動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)，由此確定界限含油飽和度區(qū)覆蓋率、界限含油飽和度區(qū)疊合度、飽和度差異、含油率差異和滲流能力差異五個(gè)參數(shù)綜合在一起作為層間矛盾評(píng)價(jià)的因素，具體表示如下：

（1）界限含油飽和度區(qū)覆蓋率（AR）：在指定大于某界限含油飽和度下的小層含油面積占井控面積的比例，隨著開發(fā)的逐步深化覆蓋率逐步降低，指定界限含油飽和度區(qū)覆蓋率的高低代表了層系開發(fā)目前所處的階段，具體覆蓋率表述為：

（2）界限含油飽和度區(qū)疊合度（OD）：受層間非均質(zhì)性影響，縱向上各小層水驅(qū)前緣層間界限含油飽和度區(qū)疊合度均發(fā)生變化，疊合度的降低意味著層間剩余油的上下差異的增大，具體表述為：

（3）飽和度差異（SD）：平面各位置在縱向上小層間剩余油飽和度的差異，具體表述為：

（4）含油率差異（ORD）：受飽和度、相對(duì)滲透率影響形成的平面各位置在縱向上含水率的差異，考慮到井組最大含水率可能為0，所以用含油率來表征，即fo=1-fw，具體表述為：

（5）滲流能力差異（KD）：受飽和度、相對(duì)滲透率、滲透率綜合作用形成的平面各位置在縱向上滲流速度的差異，即滲流能力的差異，具體表述為：

1.3 多參數(shù)平均隸屬度法評(píng)價(jià)原理

基于隸屬度的模糊綜合評(píng)價(jià)法在人工智能領(lǐng)域，特別是在模糊邏輯領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代人工智能分析的重要方法。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，具有結(jié)果清晰系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

1.3.1 論域構(gòu)建 因素集是對(duì)評(píng)判對(duì)象有主要影響的各種參數(shù)組合，設(shè)由n 個(gè)參數(shù)構(gòu)成因素集，通常用U表示，ui代表各個(gè)影響因素，而這些參數(shù)通常具有不同程度的模糊性：

1.3.2 評(píng)語集建立 評(píng)語集是評(píng)判者對(duì)評(píng)判主體提出的多種評(píng)判結(jié)果的組合，通常用V 表示，V 矩陣包含各種可能的評(píng)判結(jié)果vj，通過模糊綜合評(píng)判方法計(jì)算，得出評(píng)語集中的最佳評(píng)判結(jié)果：

1.3.3 隸屬度模糊評(píng)判 因素集U 與評(píng)語集V 之間的模糊關(guān)系，通常用m×n 階模糊關(guān)系單因素評(píng)價(jià)矩陣R，各元素含義為第i 因素對(duì)于第j 評(píng)語的隸屬度，矩陣R={ri1，ri2，…，rim}為第i 個(gè)評(píng)價(jià)因素ui的單因素評(píng)判，是評(píng)語集V 上的一個(gè)模糊子集：

一般選用升降半梯型來確定隸屬度函數(shù)，越大越優(yōu)采用升半梯形分布，越小越優(yōu)采用降半梯形分布：

升半梯形：

降半梯形：

其中：rij-第i 因素對(duì)于第j 個(gè)評(píng)語的隸屬度，且0≤rij≤1；b-第i 個(gè)因素指標(biāo)的最大值；a-第i 個(gè)因素指標(biāo)的最小值。

1.3.4 權(quán)重集 權(quán)重集通常用A 表示。權(quán)重集A 是因素集U 的模糊子集，ai代表各個(gè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，反映了各因素的相對(duì)重要性程度，同時(shí)各參數(shù)權(quán)重必須滿足下式：

權(quán)重向量A 與模糊矩陣R 的合成便是綜合隸屬度B：

其中：B-綜合評(píng)判結(jié)果；A-權(quán)重系數(shù)；R-單因素評(píng)價(jià)矩陣；0-模糊運(yùn)算符。

1.3.5 平均隸屬度準(zhǔn)則 平均隸屬度準(zhǔn)則以模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度平均值所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為準(zhǔn)，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)，若bave=ave（b1，b2，…，bm），此時(shí)查找其所對(duì)應(yīng)的等級(jí)矩陣V，當(dāng)V 與vj最為接近時(shí)，則評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)j 即為評(píng)價(jià)模型等級(jí)。平均隸屬度較最大隸屬度法，降低了異常樣本點(diǎn)對(duì)于最終評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，考慮到層間矛盾整體受極值影響較小，層系綜合評(píng)價(jià)使用平均隸屬度方法進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)。

1.4 評(píng)價(jià)等級(jí)參數(shù)界限建立

對(duì)于層系評(píng)價(jià)的評(píng)語集，依據(jù)開采階段現(xiàn)狀，設(shè)置評(píng)語集V=（優(yōu)、良、中、差、極差）5 類等級(jí)，其中：“優(yōu)”代表目前層系劃分現(xiàn)狀很好；“良”表示目前層系劃分現(xiàn)狀較好不必進(jìn)行調(diào)整；“中”表示目前層系的劃分尚可，可重劃也可不劃；“差”表示目前層系建議調(diào)整；“極差”表示層系必須立刻進(jìn)行劃分重組。

根據(jù)各參數(shù)的物理意義，確定各參數(shù)各等級(jí)下的界限值，結(jié)果見表1，由此建立了多參數(shù)層系快速智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)界限體系。

表1 參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)界限體系表

2 多參數(shù)層系智能化評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 G83 區(qū)塊概況

長慶油田G83 區(qū)塊位于陜北斜坡中段西部，為一平緩的西傾單斜背景上發(fā)育的多組軸向近東西向的鼻狀隆起構(gòu)造。主力含油層系C4+52、C61層為湖泊三角洲前緣亞相沉積，砂體走向近于北東～南西向，呈條帶狀展布；巖性以極細(xì)-細(xì)砂級(jí)長石砂巖和巖屑長石砂巖為主，成分及結(jié)構(gòu)成熟度低，巖性致密。

油藏中深2 445 m，平均有效厚度12.5 m，有效滲透率0.39 mD，原始地層壓力17.0 MPa，屬于典型的超低滲儲(chǔ)層。自2009 年正式投入開發(fā)以來，共投入油水井總數(shù)近千口，采用一套井網(wǎng)動(dòng)用兩套層系方式一次性合采開發(fā)模式。目前經(jīng)過10 多年的注水開發(fā)，層間矛盾日益突出，由于區(qū)塊含油面積大，油水井?dāng)?shù)多，各井組間矛盾差別大，而目前常用的油藏工程分析方法工作量大，人為性強(qiáng)，由此采用建立的多參數(shù)快速智能的層系評(píng)價(jià)方法進(jìn)行層系矛盾分析。

2.2 油田區(qū)塊級(jí)層系智能化評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)變化特征及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

針對(duì)G83 區(qū)塊層面進(jìn)行整體層系評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見圖1。在圖1 中C4+5、C6 合注合采作為一套層系開發(fā)時(shí)的層系動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)曲線；C4+5 單獨(dú)作為一套層系開發(fā)時(shí)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)曲線；C6 單獨(dú)作為一套層系開發(fā)時(shí)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)曲線，可以看出：

圖1 區(qū)塊層面層系組合評(píng)價(jià)分析

（1）目前，G83 區(qū)塊合采開發(fā)從原始到目前，層系綜合評(píng)價(jià)等級(jí)從“中”降為“差”，層系等級(jí)評(píng)價(jià)值從0.411 降低到0.382，數(shù)值上降低7%，可見C4+5、C6 組合作為一套層系進(jìn)行開發(fā)，從初期到目前層系綜合評(píng)價(jià)等級(jí)降低一級(jí)，但數(shù)值降低幅度不大。

（2）將C4+5 單獨(dú)作為一套層系進(jìn)行開發(fā)，評(píng)價(jià)等級(jí)始終為“中”，等級(jí)評(píng)價(jià)值從合采下的0.411 提高到0.466，提高幅度13.4%，等級(jí)上沒有任何改變，可見將C4+5 作為一套層系進(jìn)行開發(fā)和C4+5、C6 合采從縱向差異上分析，優(yōu)勢(shì)提升13.4%。

（3）將C6 作為一套層系進(jìn)行開發(fā)，評(píng)價(jià)等級(jí)始終為“中”，等級(jí)評(píng)價(jià)值從合采下的0.411 提升到0.498，提升幅度21.1%，可見C6 作為一套層系進(jìn)行開發(fā)體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

綜合分析在區(qū)塊層面上，C4+5、C6 分別作為兩套層系進(jìn)行開發(fā)對(duì)于緩解層間矛盾技術(shù)上體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，可以考慮分層系開發(fā)。

2.3 井組級(jí)層系智能化評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

由于G83 區(qū)塊含油面積大，區(qū)塊級(jí)別的評(píng)價(jià)勢(shì)必一定程度上消弱了縱向?qū)娱g矛盾差異，為此利用建立的層系動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，以油藏地質(zhì)模型和不同時(shí)間點(diǎn)剩余油飽和度為基礎(chǔ)，計(jì)算井組級(jí)各時(shí)間點(diǎn)的層系評(píng)價(jià)值，以開發(fā)末期井組層系評(píng)價(jià)值的變化率，即：β=為界限，進(jìn)行分范圍評(píng)價(jià)。

2.3.1 井組級(jí)層系評(píng)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 分別以β＞0.3、0.2＜β≤0.3 和0.1＜β≤0.2 分類給出各區(qū)間的井組評(píng)價(jià)結(jié)果見圖2～圖4。圖2 顯示井組級(jí)層系評(píng)價(jià)值變化率β＞0.3 有3 個(gè)注水井組，說明此3 個(gè)井組在注水過程中引起的層間矛盾變化較大，降低幅度超過30%，下步可以作為首批井組層間矛盾調(diào)整對(duì)象；圖3 顯示層系評(píng)價(jià)值變化率0.2＜β≤0.3 有32 個(gè)注水井組，此類井組從開發(fā)初期到目前評(píng)價(jià)值變化幅度超過20%，井組間的層間矛盾可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇性的、有計(jì)劃的井組層間矛盾調(diào)整；圖4 顯示層系評(píng)價(jià)值變化率0.1＜β≤0.2 有50 個(gè)注水井組，此類井組相對(duì)變化幅度較小，可以暫緩井組層間調(diào)整；由此可見井組級(jí)層系評(píng)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化分析可以快速有效地確定各井組受注水影響層間矛盾的大小和措施的實(shí)施推薦。

圖2 β＞0.3 的井組層系評(píng)價(jià)值變化特征

圖3 0.2＜β≤0.3 的井組層系評(píng)價(jià)值變化特征

圖4 0.1＜β≤0.2 的井組層系評(píng)價(jià)值變化特征

2.3.2 井組級(jí)層系評(píng)價(jià)值動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè) 通過趨勢(shì)線預(yù)測(cè)未來幾年井組層系矛盾變化趨勢(shì)，本次研究僅對(duì)β＞0.3 的3 個(gè)井組層系評(píng)價(jià)值利用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)5 年后、10 年后的層系評(píng)價(jià)值，具體見表2?？梢钥闯觯? 年后L46-14 層系評(píng)價(jià)值降低幅度最大為7.6%，10 年后L66-6 層系評(píng)價(jià)值降低幅度最大為13.6%。

表2 β＞0.3 的井組層系評(píng)價(jià)值預(yù)測(cè)表

2.4 目前井組級(jí)層系開發(fā)效果智能化評(píng)價(jià)等級(jí)

2.4.1 單注C4+5 層井組級(jí)層系等級(jí)評(píng)價(jià) 統(tǒng)計(jì)分析G83 區(qū)塊單注C4+5 層位注水井共計(jì)73口，層系等級(jí)評(píng)價(jià)值為0.395～0.755，層系評(píng)價(jià)等級(jí)以“中”和“良”為主，層系等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果見圖5，根據(jù)圖5 的特征可以總結(jié)如下：

圖5 單注C4+5 注水井組層系等級(jí)評(píng)價(jià)值

（1）井組層系評(píng)價(jià)等級(jí)為差共計(jì)1 個(gè)井組，等級(jí)評(píng)價(jià)值0.395，接近“中”界限；

（2）等級(jí)評(píng)價(jià)為“中”的共計(jì)52 個(gè)井組；

（3）等級(jí)評(píng)價(jià)為“良”的共計(jì)20 個(gè)井組。

總體可見C4+5 單獨(dú)作為一套開發(fā)層系時(shí)，層系等級(jí)評(píng)價(jià)在“中”以上，層系劃分目前狀況達(dá)到中等以上，

整個(gè)C4+5 層位內(nèi)部縱向非均質(zhì)性程度較低。

2.4.2 單注C6 層井組級(jí)層系等級(jí)評(píng)價(jià) 統(tǒng)計(jì)分析G83 區(qū)塊單注C6 層位注水井共計(jì)13口，層系等級(jí)評(píng)價(jià)值為0.431～0.706，層系評(píng)價(jià)等級(jí)以中等為主，層系等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果見圖6，根據(jù)圖6 的特征可以總結(jié)如下：

圖6 單注C6 注水井組層系等級(jí)評(píng)價(jià)值

（1）等級(jí)評(píng)價(jià)為“中”的共計(jì)11 個(gè)井組；

（2）等級(jí)評(píng)價(jià)為“良”的共計(jì)2 個(gè)井組。

可見C6 層單獨(dú)作為一套開發(fā)層系時(shí)，層系等級(jí)評(píng)價(jià)在“中”以上，層系劃分目前狀況達(dá)到中等以上。

2.4.3 合注C4+5、C6 層井組級(jí)層系等級(jí)評(píng)價(jià) G83區(qū)塊合注C4+5、C6 層注水井共計(jì)43口，層系等級(jí)評(píng)價(jià)值為0.397～0.593，層系評(píng)價(jià)等級(jí)均為“中”，若分兩套層系C4+5 和C6 分別進(jìn)行開發(fā)，評(píng)價(jià)結(jié)果見圖7，根據(jù)圖7 可以進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如下：

圖7 合注C4+5、C6 注水井組層系等級(jí)評(píng)價(jià)值

（1）C4+5 層系評(píng)價(jià)等級(jí)依舊為“中”的共計(jì)28 個(gè)井組，占65%，等級(jí)評(píng)價(jià)值從0.463 提高至0.532，提升幅度15%；

（2）C4+5 層系評(píng)價(jià)等級(jí)由“中”提高至“良”的共計(jì)15 個(gè)井組，占35%，等級(jí)評(píng)價(jià)值從0.52 提高至0.652，提升幅度25%；

（3）C6 層系評(píng)價(jià)等級(jí)依舊為“中”的共計(jì)35 個(gè)井組，占81%，等級(jí)評(píng)價(jià)值從0.471 提高至0.525，提升幅度11%；

（4）C6 層系評(píng)價(jià)等級(jí)由“中”提高至“良”的共計(jì)8個(gè)井組，占19%，等級(jí)評(píng)價(jià)值從0.535 提高至0.634，提升幅度19%。

可見C4+5、C6 合采一套開發(fā)層系時(shí)，層系等級(jí)評(píng)價(jià)為“中”，當(dāng)作為兩套開發(fā)層系單獨(dú)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，部分井組評(píng)價(jià)值從“中”提升至“良”，其中C6 提升程度最大，提升幅度達(dá)20%以上。

綜合比較現(xiàn)合注井組，通過分層系注水，多數(shù)注水井組可以將層系組合評(píng)價(jià)等級(jí)從“差”提升至“中”，提升幅度20%左右。

3 結(jié)論

通過開展井組級(jí)多參數(shù)層系快速智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法研究并在G83 區(qū)塊的實(shí)際應(yīng)用，得到如下結(jié)論：

（1）優(yōu)選確定界限含油飽和度區(qū)覆蓋率、界限含油飽和度區(qū)疊合度、飽和度差異、含油率差異和滲流能力差異五個(gè)參數(shù)綜合一起作為層系層間矛盾評(píng)價(jià)的因素；

（2）建立了基于平均隸屬度的井組級(jí)多參數(shù)層系快速智能化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，該方法可以計(jì)算評(píng)價(jià)值大小，確定評(píng)價(jià)等級(jí)以及快速有效分析各井組的層間矛盾及其后期的發(fā)展趨勢(shì)；

（3）方法應(yīng)用于G83 區(qū)塊，分別從區(qū)塊級(jí)別、井組級(jí)別對(duì)各井組評(píng)價(jià)值進(jìn)行量化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了層系評(píng)價(jià)的高效快速、智能量化，為現(xiàn)場(chǎng)研究人員及時(shí)把握各井組層系調(diào)整時(shí)機(jī)提供了智能便捷的技術(shù)支持。