作者简介:白倩 1998 年生,西安石油大学在读硕士研究生,研究方向为测井地质综合研究、测井资料处理与解释。通信地址:710065 陕西省西安市电子二路东段18 号西安石油大学。电话:15389439731。E-mail:2248027585@qq.com。
孔隙度和渗透率是描述储层物性特征的重要参数。常规的孔隙度和渗透率计算方法基于线性拟合,模型较单一且准确度不足。因此,基于文献调研和鄂尔多斯盆地H油田延9储层概况,总结了一些常用的孔隙度和渗透率计算方法,进而提出一种梯度提升决策树预测储层物性的方法,该方法将得到的物性参数和多条相关测井曲线作为梯度提升决策树的多元输入信息,通过训练得到预测孔隙度和渗透率的模型。H油田的21口井中6口井有实验数据,利用其中4口井与用常规的统计回归法和孔渗拟合法得出的15口井的物性数据进行训练,另外2口井作为测试集,结果表明梯度提升决策树储层预测方法的孔隙度、渗透率结果与岩心分析结果相关性均为0.9,常规方法计算结果的相关性也较高,分别为0.88、0.87。为提高模型解释精度,将常规方法计算的物性和训练集的物性及其测井曲线作为梯度提升决策树的多元输入信息进行训练,优化后梯度提升树结果与岩心分析结果相关性达到0.93。
Porosity and permeability are important parameters to describe reservoir physical properties. Conventional calculation methods of porosity and permeability are based on linear fitting, and the model is single and the accuracy is insufficient. Therefore, based on the literature investigation and the general situation of Yan 9 reservoir in Ordos Basin, this paper summarizes some commonly used calculation methods of porosity and permeability, and then puts forward a method of predicting reservoir physical properties by gradient boosting decision tree. In this method, the physical properties and many related logging curves are used as multivariate input information of gradient boosting decision tree, and the models for predicting porosity and permeability are obtained through training. There are 21 wells in H Oilfield, among which 6 wells have experimental data, 4 wells are trained with the physical property data of 15 wells obtained by conventional statistical regression method and porosity -permeability fitting method and the other 2 wells are taken as test sets. The results show that the correlation coeffieient between porosity and permeability results of gradient boosting decision tree reservoir prediction method and core analysis results is 0.9, and the correlation coefficients calculated by conventional methods are also high, which are 0.88 and 0.87 respectively. In order to improve the interpretation accuracy of the model, the physical properties calculated by conventional methods, the physical properties of training sets and their logging curves are trained as multivariate input information of gradient boosting decision tree, and the correlation coefficient between the optimized gradient boosting decision tree results and core analysis results reaches 0.93.
储层物性的研究对于油气田的开发至关重要, 孔隙度和渗透率则是重要储层物性参数。提高孔隙度和渗透率的预测精度可以更准确地了解储层的状况, 有利于开发工作者根据储层状态进行开发。直接对岩心进行分析是准确得到储层孔隙度和渗透率的最直接方法, 但该方法取样成本高, 分析过程复杂且速度慢, 不适合大规模使用。传统的储层物性参数计算方法中, 使用测井数据计算储层物性的技术已经发展成熟, 为石油开采提供了坚实的基础。
随着计算机技术的不断发展, 计算储层物性的方法也变得多样化。在进行孔隙度预测时, 前人使用中子-密度交会、岩石物理线性模型迭代反演、结合岩心测试数据和测井数据建立模型、基于半监督聚类算法建立孔隙度预测模型对储层孔隙度进行预测[1, 2, 3, 4]; 通过预测成岩指数变化定量计算孔隙度[5, 6]; 基于地震测试资料、成像测井数据和人工智能技术也可以建立孔隙度预测模型[6, 7]。在进行渗透率预测时, 通过孔隙度与渗透率数据拟合法、数理统计方法可以建立渗透率模型, 采用核磁共振T2模型、孔喉结构参数结合核磁T2谱相定量计算渗透率, 用分形理论与渗流规律对渗透率进行研究[7, 8, 9, 10, 11, 12]。此外人工智能算法中的BP、GBDT、PSO-XGBoost和RBF等神经网络技术也可以用于预测储层物性[13, 14, 15, 16]。
本文以H油田B井区侏罗系延9储层为研究对象, 基于测井资料预测目标储层的物性参数。由于印支运动导致盆地发生了复杂的形变和剥削作用, 控制后期延9储层沉积, 在该研究区进行储层物性参数预测的新方法探索显得非常必要。因此, 基于文献调研和研究区概况, 总结了一些常用的孔隙度和渗透率计算方法, 并提出了一种梯度提升决策树预测储层物性的方法, 将其用于研究区的物性参数预测, 有助于提高预测准确性, 优化开发策略, 并利于最大程度地实现油藏资源的有效开采。
H油田位于甘肃省庆阳市, 坐落于庆西古河两岸的古地貌上。该地区构造位于鄂尔多斯盆地西南部、子午岭西北斜坡和演武北斜坡的局部隆起之上。在三叠纪末期, 印支运动导致华北地块西部的鄂尔多斯盆地迅速抬升和剥削变形, 对研究区目的层的沉积产生了明显的控制作用。此外, 目的层段顶部发育2~3套煤层, 其中部煤层最为发育, 导致油藏构造复杂。燕山运动区域东升, 形成了伊陕斜坡, 进一步在西倾单斜背景上构成了序列圈闭。甘陕、庆西与庆合三大古河相连, 形成了三叠系油气向上运移的通道, 使得部署区发育了物性较好的延9储层。延9储层的顶部构造为由西倾单斜背景上的差异压实作用形成的一系列低幅鼻状隆起, 其轴线近似东西向, 从下到上幅度逐渐变缓, 相应的圈闭面积也逐层减小。延9储层主要受到构造控制, 但岩性在局部地区对油层分布有一定的影响, 形成了以构造为主、岩性为辅的油藏。
孔隙度是描述储层相对容量的重要参数, 表示岩石中孔隙体积与总体积之间的比例。孔隙度的大小对于油藏勘探具有重要影响。在研究区内, 延9砂岩储层的孔隙度均值为18%, 属于中孔储层。
通过对砂岩储层孔隙度预测方法进行分类归纳, 系统分析了各种方法的计算原理及适用条件(表1)。岩石体积物理模型法、参数交会图法以及统计回归法是比较常用且相对容易实现的孔隙度计算方法; 通过分析核磁共振测井资料和地震资料的特征, 并结合相关的地质知识可以对孔隙度进行计算[17]; 根据储层特征和数据情况, 机器学习法提供了多种算法选择, 用于预测不同储层的孔隙度。
![]() | 表1 储层常规孔隙度预测方法(据文献整理总结) |
渗透率是指在地层间压力差作用下, 岩石中通过石油和天然气的能力。研究区延9储层渗透率均值为9.8 mD, 分布在3~15 mD范围内, 属于低渗储层。
表2是据调研文献的储层常规渗透率预测方法, 其中孔渗拟合法简单且常用; Timur公式法和Herron模型不需要岩心测试数据[18]; 基于毛管压力资料, 常见的渗透率预测模型包括Winland模型、Klinkenberg模型、Purcell模型、Thomeer模型等[19, 20]; 核磁共振测井法常用的渗透率预测模型有SDR模型、Coates模型、Timur/Coates模型[21, 22]; 地层因素法、斯通利波(Stoneley)法也可反映储层渗透率[23]; 机器学习法也常被用于砂岩储层渗透率的预测。
![]() | 表2 储层常规渗透率预测方法(据文献整理总结) |
随着油气勘探开发的深入, 传统的基于线性假设的储层参数预测方法已无法满足对储层特征进行精细描述的需求。为了提高储层参数预测的准确度, 尝试利用多维度的测井数据和岩心分析结果, 建立非线性数学模型。
梯度提升决策树(GBDT)是一种基于决策树的集成学习算法。其中, 它的基学习器采用了分类回归树(CART), 主要使用CART中的回归树进行训练。决策树通常被分为回归树和分类树两种类型, 而在GBDT中, 我们使用回归树来计算实际值, 以预测储层物性参数。
GBDT的核心思想在于, 每棵树的学习都是基于之前所有树结论和的残差信息。这个残差可以被视为一个累加量, 通过加上预测值能够得到真实值。因此, 每棵新树的学习就是为了减少之前所有树的预测结果与真实值之间的误差, 从而提高整个模型的预测精度。
梯度提升决策树学习算法包含的步骤如下[24]:
(1)构建初始化模型:
式中:
(2)计算残差(负梯度):
式中:
(3)拟合基础模型:
式中:
(4)将当前弱分类器加入到模型中进行预测, 并更新已有的模型:
式中:
(5)生成最终模型:
式中:
这些公式描述了梯度提升算法中的关键步骤:构建初始化模型、计算残差(负梯度)、拟合基础模型、更新已有的模型以及生成最终模型。通过迭代优化模型, 梯度提升算法能够逐步改进预测效果。
本文将基于GBDT预测储层物性参数的方法应用于鄂尔多斯盆地H油田的21口井, 该方法输入的测井曲线主要包括自然伽马、声波时差、密度、中子、电阻率, 其中共6口井有薄片分析结果, 用其中4口井与结合常规方法得出的15口井的物性数据进行训练, 然后预测另外2口井的孔隙度、渗透率结果并与岩心分析结果对照, 对照效果较好。
3.2.1 特征值的选择
根据文献调研和参考其他研究者的工作, 主要选择与目标变量相关性较大的特征来进行特征值的选取。本次针对孔隙度预测输入的特征曲线是声波时差、中子、密度, 图2是测井响应与孔隙度交会图, 其中声波时差与孔隙度拟合程度最高; 针对渗透率预测输入的特征曲线是密度、声波时差、自然伽马、中子、电阻率, 图3是测井响应与渗透率交会图, 其中密度、声波时差、自然伽马与渗透率的相关性较好, 其他较差。
根据上面各个散点图显示的结果可知, 使用声波时差、中子和密度做为孔隙度预测的输入特征时, 声波时差与孔隙度拟合程度最高, 表明它在孔隙度预测中占据重要比例。预测渗透率时, 除了密度、声波时差和中子特征外, 自然伽马和电阻率特征也被引入作为输入特征, 其中密度和声波时差与渗透率拟合程度较高, 说明它们对于预测渗透率是重要的因素。
3.2.2 模型训练
对H油田21口井的物性进行处理和分析, 共有6口井通过岩心薄片鉴定得到了结果, 利用其中4口井作为训练集, 将其砂岩段的声波时差与薄片分析的真实孔隙度进行交会分析(图2a), 可见两者之间具有较好的线性关系; 将真实孔隙度与薄片分析的渗透率进行交会, 也具有较好的线性关系(图4)。
利用最小二乘法(统计回归法和孔渗拟合法)建立孔隙度预测模型(r2=0.88), 其模型公式为:
建立渗透率预测模型(r2=0.87), 其模型公式为:
式中:ϕ 为储层孔隙度, %; Δ t为声波时差, μ s/m;
根据该模型, 用作为训练集的4口井的声波时差可以初步估算其余15口井的储层孔隙度和渗透率。将除了测试集2口井外的19口井的孔隙度和渗透率与测井敏感属性参数作为算法的多元输入信息来训练梯度提升决策树, 并以岩心实验结果的孔隙度、渗透率作为标签, 建立目的层储层物性参数预测模型。
用相关系数作为预测结果的评价标准, 即:
式中:r为相关系数; n为数据点个数; P、T分别为储层物性参数预测值和实际值;
本文基于GBDT的孔隙度、渗透率预测结果与岩心分析结果的r2均为0.9; 而最小二乘法在测试井计算的孔隙度、渗透率与岩心分析结果的相关系数也较高, r2分别为0.88和0.87。
3.2.3 结果展示
为了进一步提高梯度提升决策树的预测准确率, 可以将测井曲线拟合的孔隙度、渗透率和相关的测井响应作为梯度提升决策树算法的输入进行训练。使用被最小二乘法估算的参数所训练的梯度提升决策树, 可以更好地预测孔隙度和渗透率。图5为部分储层物性预测结果对比, 黄色部分代表实际的孔隙度和渗透率, 蓝色部分代表预测的孔隙度和渗透率, 可见该模型预测精度较高, 预测结果与岩心分析结果r2为0.93。
(1)基于文献、调研, 储层物性参数常规预测方法很多, 岩石体积物理模型法、参数交会图法、统计回归法、核磁共振测井法、机器学习法等可以对孔隙度进行预测; 孔渗拟合法、Timur公式法、Herron模型、基于毛管压力、核磁共振测井法、地层因素法、斯通利波法等可以对储层渗透率进行预测, 其中孔渗拟合法较简单, 基于毛管压力、核磁共振测井法成本较高, 机器学习法前景较好。
(2)基于GBDT回归的储层物性参数预测的准确性依赖于输入参数的选择, 选取输入参数时要考虑其对预测目标的影响效果, 以便选出对物性影响较大的几个参数进行预测。与常规储层物性参数预测方法相比, 基于GBDT回归的储层物性参数计算方法准确率高、稳定性好, 结合常规线性拟合方法进行对比, 可进一步提高预测结果准确性。
(编辑 陈 娟)
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