基于BP網(wǎng)絡(luò)分析大牛地氣田山西組氣井壓裂效果影響因素

戰(zhàn)永平 付春麗 段曉飛，溫慶志，李松巖

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555) (中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555) (中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

基于BP網(wǎng)絡(luò)分析大牛地氣田山西組氣井壓裂效果影響因素

戰(zhàn)永平 付春麗 段曉飛，溫慶志，李松巖

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555) (中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東 青島 266555) (中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

影響大牛地氣田山西組氣井壓裂效果的因素繁多，且之間的關(guān)系十分復(fù)雜。利用高精度擬合的BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，獲得了壓裂效果影響因素的影響程度如下：泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)(13.30%)、加砂強度(9.47%)、含氣飽和度(8.12%)、砂體厚度(8.12%)。運用BP網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果優(yōu)選2口井進(jìn)行壓裂增產(chǎn)，增產(chǎn)效果分別為61.09%、59.75%，表明BP網(wǎng)絡(luò)分析計算結(jié)果可為壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計與優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

氣井壓裂；泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)；加砂強度；含氣飽和度；砂體厚度；BP網(wǎng)絡(luò)

大牛地氣田為上古生界砂巖氣藏，埋深2400～2900m，具有石盒子組、山西組、太原組3套氣層，平均孔隙度8.46%，平均滲透率0.78mD，屬于致密砂巖氣藏，自然產(chǎn)能低甚至無自然產(chǎn)能，需壓裂投產(chǎn)。其山西組氣藏有18口井無阻流量大于5×104m3/d，占比10.52%；48口井無阻流量不到1×104m3/d，占比28.07%；105口井無阻流量為1×104～5×104m3/d，占比61.41%；無阻流量相對較低的井占比較大，合計占比89.48%。為改善氣井的壓裂改造效果以提高山西組整體產(chǎn)氣量，探討壓裂效果的影響因素具有重要的現(xiàn)實意義。

在壓裂增產(chǎn)過程中，油氣井的壓裂效果受地質(zhì)和工程兩大類因素共同影響[1～3]，各因素與壓裂效果之間存在著一種復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系[4～6]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來的人工智能新技術(shù)，具有無限逼近任意非線性的能力以及解決問題時的靈活性和自適應(yīng)性[7～10]，特別適合解決復(fù)雜非線性問題，在石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[11，12]。筆者以大牛地氣田山西組氣層的測井、氣藏、工程參數(shù)以及壓后無阻流量等資料為樣本進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，建立高精度擬合BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，仿真計算各因素同幅度調(diào)整后的無阻流量變化率，計算出各因素對壓裂效果的影響程度，為后續(xù)壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 壓裂效果影響因素統(tǒng)計分析

影響山西組氣藏壓裂效果的因素有很多：自然伽馬、儲層電阻率、聲波時差、補償中子孔隙度、補償密度、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、有效厚度、砂體厚度、孔隙度、滲透率、含氣飽和度、排量、注液強度(單位厚度的液量)、加砂強度(單位厚度的加砂量)、砂比、注氮強度(單位厚度的液氮量)等。為研究無阻流量與各因素之間的依存關(guān)系，將山西組氣井按產(chǎn)量高低分成高產(chǎn)井、中產(chǎn)井、低產(chǎn)井、無效井4類，以每類井各因素的平均指標(biāo)來分析其與壓裂效果相關(guān)程度。由于各因素相互關(guān)聯(lián)，籠統(tǒng)的統(tǒng)計分析效果不理想。因此，根據(jù)各因素本身的特點，將上述16個參數(shù)分為測井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)3大類。

1.1測井參數(shù)的影響統(tǒng)計分析

由表1統(tǒng)計分析，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與儲層電阻率、補償中子孔隙度、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相關(guān)程度高，儲層電阻率越大，補償中子孔隙度越小，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越低，壓后產(chǎn)量相對較高。因此，壓裂選井選層時，應(yīng)把儲層電阻率、泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、補償中子孔隙度作為重要測井參數(shù)來考慮。

表1 測井參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

1.2氣藏參數(shù)的影響統(tǒng)計分析

由表2統(tǒng)計分析可知，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與含氣飽和度相關(guān)程度高，含氣飽和度越高，壓后產(chǎn)量相對較高。無效井的有效厚度、砂體厚度、孔隙度、滲透率明顯低。因此，壓裂選井選層時，應(yīng)把含氣飽和度作為首要氣藏參數(shù)，有效厚度、砂體厚度、滲透率、孔隙度作為輔助參數(shù)。

表2 氣藏參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

1.3工程參數(shù)的影響統(tǒng)計分析

由表3統(tǒng)計分析，大牛地氣田山西組氣藏的壓裂效果與排量、注氮強度相關(guān)程度高，施工排量越高，注氮強度越低，壓后產(chǎn)量相對較高。排量大，因縫內(nèi)砂的堤峰后移增大有效支撐縫長，而獲得較好的壓裂效果，注氮強度與壓裂效果的關(guān)系卻與理論相悖，說明工程參數(shù)不是影響壓裂效果的主要因素。因此，壓裂選井選層應(yīng)以測井參數(shù)、氣藏參數(shù)作為主要因素，而施工參數(shù)可根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)化。

表3 工程參數(shù)與壓裂效果的關(guān)系

2 BP網(wǎng)絡(luò)分析

通過以上統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)影響山西組氣藏壓裂效果的因素有很多，且其間關(guān)系極其復(fù)雜，甚至出現(xiàn)與理論相悖的現(xiàn)象。這些單一因素的統(tǒng)計分析容易混淆和掩蓋事物的本質(zhì)，造成對山西組氣田壓裂效果分析與評價的局限性。在優(yōu)選壓裂井層、優(yōu)化壓裂施工設(shè)計時分不清主次順序，無法形成明確的概念。

山西組氣田開發(fā)過程中積累了豐富的壓裂生產(chǎn)數(shù)據(jù)，且壓裂效果與各影響因素之間存在著復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系。為此，利用具有無限逼近任意非線性能力，特別適合解決非線性問題的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析它們之間的依存關(guān)系，為后續(xù)壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立

BP(Back Propagation)網(wǎng)絡(luò)是誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡(luò)簡稱[13]，以歸一化的20口井的壓后無阻流量為硬數(shù)據(jù)，以歸一化的測井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)等16個影響因素為輸入量，以“tansig”作為隱含層傳遞函數(shù)，以“l(fā)ogsig”作為輸出層傳遞函數(shù)，以“trainlm”作為訓(xùn)練函數(shù)，以“mse”作為性能函數(shù)，訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)的精度很大程度上取決于隱含層神經(jīng)元的數(shù)目是否合適，而目前沒有通用的理論確定其數(shù)目。因此，采用試湊法確定其數(shù)目，訓(xùn)練時，迭代次數(shù)設(shè)置為800，目標(biāo)精度設(shè)置為1×10-7，通過大量的重復(fù)訓(xùn)練確定誤差最小時的隱含層數(shù)目為11，建立16×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。利用反歸一化的仿真無阻流量的誤差Ei、均方根誤差函數(shù)(公式(1))檢驗網(wǎng)絡(luò)模型的精度。通過計算，最大誤差為3.15%，均方根誤差為1.51%，說明建立的16×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度高，可靠。

(1)

式中：Ei為BP網(wǎng)絡(luò)仿真計算的任意井的無阻流量與真實無阻流量之差除以真實無阻流量所得的值，%；n為樣本井?dāng)?shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，%。

2.2各因素影響程度分析

運用訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)模型仿真計算各因素下調(diào)15%幅度時的反歸一化后無阻流量的變化率，運用公式(2)計算出各因素影響程度E，結(jié)果見表4。

(2)

表4 各因素對壓裂效果影響程度計算及排序

圖1 壓裂效果影響因素整體分析

從整體情況(圖1)來分析，山西組氣井壓裂效果影響因素按影響程度大小依次是：測井參數(shù)(49.49%)、工程參數(shù)(25.47%)、氣藏參數(shù)(25.03%)。這是因為測井資料表征儲層巖性、物性、含氣性的綜合特性，而工程參數(shù)只是壓裂施工狀況的反映，氣藏參數(shù)主要表征儲層砂巖的儲氣和滲流特性。測井參數(shù)的變化會引起儲層發(fā)生多方面的變化，故其影響程度較明顯。因此，壓裂選井選層時，應(yīng)首要分析儲層的測井參數(shù)，選擇測井綜合解釋較好的儲層進(jìn)行壓裂，再根據(jù)氣藏參數(shù)優(yōu)化壓裂施工參數(shù)，提高山西組氣藏的壓裂改造效果。

為給后續(xù)選井選層提供切實可行的理論依據(jù)，對表4中各類因素的單一因素進(jìn)行排序，找出其主要影響因素。分析發(fā)現(xiàn)，測井參數(shù)中泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為其主要影響因素，其無阻流量變化率為17.7%，影響程度為13.3%。氣藏參數(shù)中的含氣飽和度、砂體厚度為其主要影響因素，其無阻流量變化率分別為10.77%，10.76%，影響程度均為8.12%；工程參數(shù)中的加砂強度為其主要影響因素，其無阻流量變化率為12.64%，影響程度為9.47%。泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)從2個方面影響壓裂效果：一是影響儲層的巖石性質(zhì)，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)越高，其儲層中砂巖含量相對較低，從而降低儲層砂巖的儲氣能力和滲透能力；二是壓裂過程中易引起壓裂液的二次傷害。含氣飽和度、砂體厚度是表征儲層儲氣能力參數(shù)，含氣飽和度越大、砂體有效厚度越厚，人工裂縫可連通的氣量就越充足，產(chǎn)量也就相對越高。加砂強度可表征填砂裂縫的幾何參數(shù)，反映人工裂縫的導(dǎo)流能力，其強度越強，則允許氣體通過的能力就越強，流動阻力就越小，產(chǎn)量也就相對越高。

因此，在對山西組氣井進(jìn)行壓裂改造開發(fā)時，在充分考慮測井參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)少、含氣飽和度高、砂體厚度大的層位充分開發(fā)，同時施工過程中在不發(fā)生砂堵的前提下盡可能提高壓裂目的層的加砂強度，增大油氣的滲流能力，提高壓裂開發(fā)效果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

大牛地氣田山西組泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)平均為13.31%，生產(chǎn)層的平均砂體厚度為16.09m，含氣飽和度平均為54.74%；加砂強度平均為8.08t/m；平均無阻流量為1.5772×104m3/d。根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果，影響山西組氣井壓裂效果的主要因素為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、含氣飽和度、砂體厚度、加砂強度。因此，根據(jù)山西組的測井資料、物性分析資料，選取2口泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)小于13.31%、含氣飽和度高于54.74%、砂體厚度大于16.09m的典型井層位進(jìn)行壓裂，以不發(fā)生砂堵的砂比使加砂強度達(dá)到8.08t/m以上，典型井的主要選取參數(shù)及壓后無阻產(chǎn)量的對比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 典型井主要選取參數(shù)及壓后無阻流量對比數(shù)據(jù)

注：標(biāo)準(zhǔn)差1是X-1井的數(shù)據(jù)與平均值之差；標(biāo)準(zhǔn)差2是X-2井的數(shù)據(jù)與平均值之差。

由表5可知，根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)分析計算各因素影響程度的結(jié)果，選取的山西組2口典型井的無阻流量均高于平均無阻流量，增產(chǎn)效果達(dá)到約60%左右，增產(chǎn)效果明顯。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，BP網(wǎng)絡(luò)分析計算各因素影響程度的結(jié)果可為壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計與優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

1)依據(jù)大牛地氣田山西組測井、氣藏及工程參數(shù)資料，統(tǒng)計分析表明，測井參數(shù)、氣藏參數(shù)、工程參數(shù)對壓裂效果均有不同程度的影響。

2)構(gòu)建的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型誤差小，精度高，且可靠。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)模型對各類因素的每一個因素的分析表明，影響山西組氣井壓裂效果主要因素為泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、含氣飽和度、砂體厚度、加砂強度。

3)基于BP網(wǎng)絡(luò)分析計算結(jié)果，山西組氣井壓裂改造開發(fā)時，應(yīng)盡可能選擇泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)少、含氣飽和度高、砂體厚度大的井層位進(jìn)行壓裂，同時壓裂施工時在不發(fā)生砂堵的條件下盡可能提高壓裂目的層的加砂強度。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，BP網(wǎng)絡(luò)分析計算結(jié)果可對壓裂井層的優(yōu)選、壓裂施工設(shè)計與優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。

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[編輯] 黃鸝

TE375

A

1673-1409(2017)19-0085-05

2016-06-10

國家自然科學(xué)基金項目(51304229)；中國石油大學(xué)(華東)精品實驗建設(shè)項目(JS201402)。

戰(zhàn)永平(1982-)，男，碩士，實驗師，從事低滲透油氣藏增產(chǎn)機理方面的教學(xué)和科研工作，zhanyongping@upc.edu.cn。

[引著格式]戰(zhàn)永平,付春麗,段曉飛，等.基于BP網(wǎng)絡(luò)分析大牛地氣田山西組氣井壓裂效果影響因素[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版), 2017,14(19):85～89.