基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法識(shí)別蘇里格氣田致密砂巖儲(chǔ)層巖性

趙忠軍，黃強(qiáng)東，石林輝，王憲文，單敬福

（1．中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司蘇里格氣田研究中心，陜西 西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018；3．長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430100）

0 引 言

蘇里格氣田平面上顯示為近南北向的條帶狀巖性圈閉氣藏，主力含氣層段為二疊系下石盒子組盒8段和山西組山1段。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西部，巖性類型主要包括石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖，屬河流相－三角洲砂巖儲(chǔ)層。作為蘇里格氣田的主力產(chǎn)氣層，盒8段和山1段目前大部分尚處于開發(fā)評(píng)價(jià)階段［1－2］。目的層段砂巖顆粒磨圓度中等，多呈次圓狀，其次為次圓－次棱角狀，具有中等的結(jié)構(gòu)成熟度。雜基含量較低，以顆粒支撐為主，接觸方式以點(diǎn)接觸和點(diǎn)－線狀接觸為主，偶見雜基支撐結(jié)構(gòu)，雜基含量也反映出有較高的結(jié)構(gòu)成熟度。根據(jù)研究區(qū)取心井薄片資料分析統(tǒng)計(jì)，石英含量自西向東逐漸減少，巖屑含量則逐漸增多，這種變化規(guī)律在盒8段儲(chǔ)層中表現(xiàn)尤為突出。蘇西至蘇東，盒8段儲(chǔ)層石英含量由90．8%減少至79．1%；巖屑含量則有9．2%增至20．7%［3－9］。以往在巖性識(shí)別過程中，常規(guī)的測(cè)井識(shí)別方法巖性識(shí)別率偏低，為了提高巖性識(shí)別精度，本文提出了通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)算進(jìn)行巖性預(yù)測(cè)，取得了很好的效果。

1 巖心標(biāo)定優(yōu)選巖性敏感曲線

以薄片鑒定資料確定的地層巖性為基礎(chǔ)，分別將自然伽馬（GR）、補(bǔ)償中子（CNL）和光電吸收截面指數(shù)（Pe）測(cè)井值進(jìn)行相關(guān)性分析，以優(yōu)選對(duì)巖性敏感的測(cè)井曲線。交會(huì)結(jié)果表明，自然伽馬（GR）與光電吸收截面指數(shù)（Pe）對(duì)巖性較為敏感，且可以較好地區(qū)分英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖和泥巖這4類巖性，即石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖和泥巖（見圖1、表1）。

圖1 GR與Pe交會(huì)圖

表1 蘇里格氣田盒8、山1儲(chǔ)層識(shí)別參數(shù)

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖性識(shí)別

2．1 曲線和對(duì)應(yīng)巖性樣本采集與歸一化

收集GR、Pe曲線作為輸入層的神經(jīng)元，逐個(gè)讀取所采集的樣本，以獲取曲線樣本和目標(biāo)巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將曲線樣本歸一化后的數(shù)據(jù)作為輸入層，輸入前要對(duì)GR和Pe進(jìn)行歸一化處理［10－15］，其采用的歸一化公式為

式中，ΔΦ為歸一化的曲線值；Φ為任意曲線值；Φmax為最大曲線值；Φmin為最小曲線值。

2．2 樣本學(xué)習(xí)正向傳播計(jì)算各層神經(jīng)元輸出

將輸入的樣本向量加入到輸入層，計(jì)算隱含層和輸出層各單元輸出，BP網(wǎng)絡(luò)的正向?qū)W習(xí)過程見圖2，輸出結(jié)果為

式中，netk＝∑（Wjk·Oj＋Tk）為輸出層獲得的輸入總和；Wjk為隱含層j神經(jīng)元到輸出層k神經(jīng)元的權(quán)值；Oj為上一層即隱含層的輸出；Tk為隱含層k神經(jīng)元閾值為活化函數(shù)。

2．3 樣本學(xué)習(xí)反向傳播計(jì)算誤差、修改權(quán)值和閾值

在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)（訓(xùn)練）中，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到想要的輸出結(jié)果，就會(huì)立即轉(zhuǎn)入反向傳播程序，誤差信號(hào)沿原來的路徑返回，修改各層神經(jīng)元中的權(quán)值，使得誤差信號(hào)降到最小，逐層計(jì)算反傳誤差。樣本學(xué)習(xí)反向傳播流程見圖3所示，權(quán)值網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)整公式為

式中，Wi（j＋1）為輸入層i節(jié)點(diǎn)到隱含層j節(jié)點(diǎn)權(quán)值；Wij為輸入層i節(jié)點(diǎn)到隱含層節(jié)點(diǎn)j處的權(quán)值；η為學(xué)習(xí)步長(zhǎng)（默認(rèn)η＝0．9，且η∈［0．7，0．9］）；δj為隱含層j節(jié)點(diǎn)的誤差項(xiàng)；Ok為輸出層k節(jié)點(diǎn)的輸出；Oi為輸入層i節(jié)點(diǎn)的輸出；α為動(dòng)量因子（默認(rèn)α＝0．7，α∈［0．5－0．9］）。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正向傳播輸出示意圖

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反向傳播計(jì)算誤差、修改權(quán)值閾值示意圖

計(jì)算輸出層和隱含層單元的閾值T調(diào)整公式，隱含層（輸出層）單元

式中，ΔTj為隱含層（輸出層）j節(jié)點(diǎn)閾值；η為學(xué)習(xí)步長(zhǎng)（默認(rèn)η＝0．9，且η∈［0．7，0．9］）；δj為隱含層j節(jié)點(diǎn)的誤差項(xiàng)。閾值調(diào)整公式為

式中，Tj＋1為隱含層j＋1點(diǎn)處的閾值；α為動(dòng)量因子（默認(rèn)α＝0．7，α∈［0．5－0．9］）；Tj為隱含層j點(diǎn)處的閾值；ΔTj＋1為隱含層j＋1點(diǎn)處的閾值調(diào)整量。

2．4 誤差檢測(cè)和學(xué)習(xí)次數(shù)控制

定義誤差函數(shù)為

式中，E為學(xué)習(xí)過程誤差計(jì)算結(jié)果；Ok為輸出層k節(jié)點(diǎn)的輸出；tk為輸出層節(jié)點(diǎn)k所期望產(chǎn)生的響應(yīng)；N為學(xué)習(xí)樣本的個(gè)數(shù)（即行數(shù)，N∈［0，5000］）。網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)10000次，從第1次開始，每迭代1次，系統(tǒng)學(xué)習(xí)1次，然后修改權(quán)值和閾值，最后檢查計(jì)算出的誤差函數(shù)是否滿足E≤0．0001。

（1）若在10000次以內(nèi)，便有計(jì)算出的誤差函數(shù)E≤0．0001，便跳出迭代，直接保存下最后一次計(jì)算得到的權(quán)值和閾值，若E≥0．0001再返回到步驟4再次迭代計(jì)算。

（2）若到10000次，仍然沒有計(jì)算出的誤差函數(shù)E≤0．0001，程序跳出迭代，保存下最后一次計(jì)算得到的權(quán)值和閾值。整個(gè)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛯W(xué)習(xí)方式流程圖如圖4所示。

圖4 判別巖性類別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3 巖性識(shí)別結(jié)果與比較

蘇里格氣田蘇東和蘇西2個(gè)區(qū)塊以往曾分別利用交會(huì)圖和模糊數(shù)學(xué)巖性預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)踐與應(yīng)用，結(jié)果巖性預(yù)測(cè)符合率偏低。通過引用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，巖性預(yù)測(cè)結(jié)果顯著提高。例如蘇東、蘇西地區(qū)盒8、山1段按交會(huì)圖法識(shí)別符合率分別為60．71%和62．62%，按模糊數(shù)學(xué)法識(shí)別符合率分別為55．37%和56．08%，而按神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別符合率則分別達(dá)到了83．29%和85．67%（見表2、圖5和圖6）。顯然，巖性識(shí)別結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和交會(huì)圖法識(shí)別巖性效果最好。

圖5 蘇84井巖性識(shí)別成果圖

圖6 蘇370井巖性識(shí)別成果圖

表2 蘇里格盒8和山1段儲(chǔ)層巖性識(shí)別符合率

利用光電吸收截面指數(shù)（Pe）進(jìn)行巖性識(shí)別時(shí)一定要注意適用性，不同研究區(qū)域測(cè)井曲線Pe對(duì)巖性的敏感程度是有差異的。如長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田敏感些，而有些地方可能就差些，如果盲目直接用該曲線參與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行巖性識(shí)別，會(huì)存在對(duì)巖性誤判的可能。建議在使用該方法前，一定要對(duì)Pe測(cè)井曲線與巖性進(jìn)行相關(guān)性進(jìn)行分析，當(dāng)相關(guān)性較高時(shí)，宜采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)致密砂巖氣藏儲(chǔ)集層復(fù)雜巖性進(jìn)行識(shí)別；對(duì)于研究區(qū)沒有Pe測(cè)井曲線情況，建議綜合采用其他判別方法，按識(shí)別符合率高低優(yōu)選算法進(jìn)行巖性識(shí)別。

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)巖性敏感曲線的優(yōu)選、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程的控制，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)巖性的精度，并建立了一套成熟的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型致密砂巖儲(chǔ)層復(fù)雜巖性識(shí)別流程和方法，為后續(xù)儲(chǔ)層和沉積相精細(xì)化研究提供了重要參考依據(jù)。

（2）通過與前期交會(huì)圖和模糊數(shù)學(xué)巖性識(shí)別方法的對(duì)比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用效果較好，平均符合率達(dá)84．48%，這與選用對(duì)巖性差異反映較敏感的自然伽馬（GR）和光電吸收截面指數(shù)（Pe）曲線有關(guān)，與之比較的模糊數(shù)學(xué)法巖性識(shí)別效果則欠佳，其平均符合率僅為55．73%。

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