油藏描述中的多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬及智能化建模應(yīng)用分析

肖筱南

(廈門大學 嘉庚學院，福建 漳州 363105)

引 言

目前，我國陸上油田大部分已進入高含水期，部分進入了特高含水期。而且，隨著開采程度的不斷加深，地下油水關(guān)系越來越復雜，油田穩(wěn)產(chǎn)和調(diào)整挖潛的難度越來越大。因此，如何對老油田進行準確的油藏描述，最大限度地找出剩余油相對富集區(qū)，是當前油藏開發(fā)研究的首要任務(wù)。然而，在傳統(tǒng)的油藏描述中，由于描述、模擬方法與手段的局限性，人們發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的有限資料條件下，如何在注重整體相關(guān)性與動態(tài)綜合優(yōu)化條件下，充分運用大數(shù)據(jù)分析與多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬及智能化建模的手段，在整體上對儲層屬性空間進行全方位的描述，已成為了當前及今后油氣田開發(fā)中的一個重要問題。對此，在大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，多信息全方位、多視角的隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬作為一種新的油藏描述方法與手段，有效地克服了傳統(tǒng)油藏描述方法的不足，將在油藏描述中發(fā)揮出其自身具有的獨特優(yōu)勢。

根據(jù)我國陸地油氣田類型多、構(gòu)造復雜等特點，多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬充分運用了多信息隨機動態(tài)優(yōu)化分析理論與方法、隨機控制理論與方法、非線性最佳濾波理論與方法、灰色系統(tǒng)預(yù)測建模原理與方法、最優(yōu)信息熵方法以及多因素Fuzzy信息搜索方法等現(xiàn)代信息處理手段與大數(shù)據(jù)智能分析量化方法，對深度地層油氣儲層客觀實際中的諸多復雜信息流進行深入搜索、挖掘、動態(tài)濾波與優(yōu)化研究，并在充分挖掘、搜索油藏信息的基礎(chǔ)上，深入研究廣義過程下隨機信號的最優(yōu)濾波與估計以及隨機傳遞系統(tǒng)的最佳編碼與最佳譯碼的建立方法，為進一步提高此類信息傳遞系統(tǒng)的效率提供了一種非常有效的數(shù)學處理手段[1-4]。進而深入研究多信息油藏精細描述的隨機模擬及油氣儲層精細評價的最優(yōu)科學決策、油氣儲層多因素Fuzzy信息搜索與深度地層油藏分布隨機預(yù)測計算機模擬以及采油技術(shù)的科學評判模型等，為多種類型油藏廣義信息空間中的各種非同態(tài)多因素隨機信息優(yōu)化建模與計算機模擬應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了智能化全多維模擬新理論、新方法與新途徑，進而使得人們能夠更加深入地認識油藏，有效地確定剩余油分布，合理地確定開發(fā)井網(wǎng)和開發(fā)方式，以較小的投入，獲得最大的開發(fā)效益[5]。最大限度地減少決策失誤，進一步增強科學綜合決策效益并產(chǎn)生顯著的社會效益與經(jīng)濟效益。

1 多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬的分類、步驟與方法

1.1 傳統(tǒng)油藏描述方法的延伸與拓廣

多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬是在深入搜索、充分挖掘各種復雜信息流的基礎(chǔ)上，全方位、多視角地運用現(xiàn)代隨機分析、現(xiàn)代信息量化與隨機模擬方法等，建立起可選的、等概率的和高精度的反映變量空間分布的隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模型。其中，每個模型都是對原始數(shù)據(jù)的反映；而等概率則是指模型參數(shù)的統(tǒng)計特征與現(xiàn)有樣品統(tǒng)計特征或參數(shù)的理論分布是一致的；高精度是指所合成的模型能夠反映參數(shù)的細微變化。

多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬通過提供多個可選的、等概率的、高精度的儲層結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)的空間分布，比較各個圖像上的差異性(變化性)來恢復儲層屬性參數(shù)在空間的細微變化。它是傳統(tǒng)油藏描述方法的拓廣，特別是它與傳統(tǒng)插值有著很大差別：

(1)插值是局部最優(yōu)估計，它只考慮局部估計值的精度，而不考慮估計值的空間相關(guān)性；但多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬強調(diào)結(jié)果的整體相關(guān)性與動態(tài)綜合優(yōu)化，它在整體上對儲層屬性空間提供了全方位的不確定性的度量。

(2)插值具有光滑效應(yīng)，忽略了儲層屬性參數(shù)的細微變化，它適合于變化不太劇烈的油藏參數(shù)的估計和預(yù)測；而多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬是在充分挖掘各種復雜信息流的基礎(chǔ)上，通過在插值模型中系統(tǒng)地加上“隨機噪聲”，反映出儲層屬性參數(shù)的細微變化，更好地表現(xiàn)了真實曲線的波動情況[6]。

(3)插值法只能產(chǎn)生一個確定性的模型；而在多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模型中，可有多個動態(tài)實現(xiàn)(模型)產(chǎn)生，這些實現(xiàn)(模型)的差別正是儲層參數(shù)在空間上全方位不確定性的反映。

1.2 多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬的分類

根據(jù)不同的分類標準，多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模型有不同的分類。目前，根據(jù)模擬結(jié)果是否忠實于約束條件，該隨機模擬可分為條件模擬和非條件模擬。非條件模擬所產(chǎn)生的模型只要求再現(xiàn)儲層參數(shù)空間分布的相關(guān)結(jié)構(gòu)；而條件模擬所產(chǎn)生的模型不僅要求再現(xiàn)儲層參數(shù)空間分布的相關(guān)結(jié)構(gòu)，還要求條件化到已知井位觀察位置必須與已知數(shù)據(jù)相一致。油藏描述通常所提到的隨機模擬一般指條件模擬，它所產(chǎn)生的模擬不僅能夠從整體上對未抽樣位置提供一種不確定的全局度量，而且在觀測點處，模擬值忠實于觀測值。

這種隨機模擬還可分為離散型和連續(xù)型。離散型隨機模擬主要描述離散性質(zhì)的地質(zhì)特征，如沉積相分布、砂體位置和大小、泥質(zhì)隔夾層的分布和大小、裂縫和斷層的分布、大小、方位等。連續(xù)型隨機模擬主要描述連續(xù)變化的整體儲層參數(shù)的空間分布，如孔隙度、滲透率、流體飽和度等巖石物性參數(shù)、地震層速度、油水界面等參數(shù)的空間分布。

1.3 多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機建模的步驟

離散型多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬更接近于地質(zhì)解釋，更適合于不連續(xù)、大范圍非均質(zhì)的儲層模擬；而連續(xù)型多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬比較適合于連續(xù)的巖石物性參數(shù)的空間分布模擬。因此，隨機建模的步驟應(yīng)包括2種模型的2個階段的模擬：

第1階段，利用離散動態(tài)模擬方法(包括示性點過程、馬爾可夫隨機域法、截斷高斯法、兩點直方圖法等)，根據(jù)全方位的地震資料、測井資料和露頭類比資料來對與地質(zhì)和沉積相有關(guān)的大范圍非均質(zhì)進行動態(tài)模擬。

第2階段，在第1階段模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)動態(tài)模擬方法(包括序貫高斯模擬法、序貫指示模擬法、分形隨機函數(shù)法、多變量聯(lián)合條件模擬等)，對不同沉積相帶的各種物性參數(shù)進行動態(tài)模擬。在這一階段，不同沉積相帶的參數(shù)是有差別的，應(yīng)根據(jù)巖心資料和露頭資料來確定變量的變化、各變量間的關(guān)系及空間結(jié)構(gòu)，進而求取有關(guān)的模擬參數(shù)。綜上所述，第1階段的模擬提供了重要的地質(zhì)形態(tài)和空間結(jié)構(gòu)，而第2階段的模擬則提供了巖石物性參數(shù)在小范圍的變化規(guī)律。

1.4 多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬的方法

目前多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬在油藏描述中使用廣泛且方法較多，其主要方法有：布爾模擬、序貫高斯模擬、序貫指示模擬、截斷高斯模擬、概率場模擬、退火模擬、分形隨機域模擬、馬爾可夫隨機場模擬、鑲嵌過程模擬等。而各種方法又都有其不同的適用條件、適合類型和優(yōu)缺點。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇與其相適應(yīng)的方法。以下是應(yīng)用較廣且發(fā)展比較成熟的幾種模擬方法。

(1)布爾模擬方法(Boolean Simulation)。該方法是隨機模擬方法中最簡單的一種，屬于非條件模擬。它主要用于建立離散型模型，如砂體格架平面、剖面或者三維空間分布模型。一般地，這種模擬可以用于模擬砂體在空間的形態(tài)、大小、位置和排列方式。但該方法很難忠實于具體位置的信息，不能反映出砂體內(nèi)部的非均質(zhì)性。

(2)序貫高斯模擬方法(Sequential Gaussian Simulation)。該方法快速簡單，比較適合模擬一些中間值很連續(xù)而極端值分散的儲層屬性參數(shù)，如孔隙度等。但該方法很難考慮間接信息，且要求變量服從正態(tài)分布。

(3)序貫指示模擬方法(Sequential Indicator Simulation)。該方法計算速度比序貫高斯模擬方法慢，但比較適合滲透率的模擬。因為這種方法能夠反映出滲透率的極值的連續(xù)性，而滲透率的極值的分布對于油藏工程的流動模擬起著關(guān)鍵的作用。該方法能綜合各種信息,是最靈活的隨機建模方法。但計算量大，且需要推斷很多協(xié)方差函數(shù)，不能忠實試井資料。

(4)截斷高斯模擬方法(Truncated Gaussian Simulation)。該方法首先采用指示模擬方法生成一個高斯隨機場，然后對高斯值進行截斷以得到類型變量的模擬結(jié)果。這種方法易于使用，快速、靈活，可用于模擬離散的特征，尤其適合于模擬相序簡單明確的沉積，如三角洲成因的儲層。

(5)概率場模擬方法(Probability Field Simulation)。該方法的計算速度快，既可以模擬連續(xù)變量，也可以模擬類別變量，如模擬濁積巖和三角洲沉積體系的砂泥巖分布等。

(6)模擬退火方法(Simulated Annealing Simulation)。該方法靈活、適應(yīng)性好，適合于模擬連續(xù)或離散模型，而且可以綜合多種已知信息。但該方法計算量大，不易收斂。

(7)分形隨機域模擬方法(Fractal Simulation)。該方法的最大特點是其自相似性，即局部與整體相似。在數(shù)據(jù)點較小時，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。這種方法用于連續(xù)變量的模擬，如孔隙度、滲透率的模擬，也可以用于模擬天然裂縫的分布模式。該方法快速、經(jīng)驗性強，但要求變量具有分形特征，難考慮間接信息。

(8)馬爾可夫隨機域方法(Markov Randon Field Simulation)。該方法既可用于離散變量也可用于連續(xù)變量的模擬，可用于鑲嵌分布的巖相或巖性模擬。

1.5 多信息全多維動態(tài)綜合優(yōu)化隨機模擬中應(yīng)考慮的問題

1.5.1 隨機模擬體現(xiàn)儲層主要的非均質(zhì)性

在隨機模擬中，首先要考慮的是最有影響的非均質(zhì)特征。如果所研究的現(xiàn)象是不同物體和統(tǒng)計總體的混合，那么應(yīng)該先模擬幾何形態(tài)，然后在幾何形態(tài)中模擬儲層屬性參數(shù)的分布。例如，在兩階段模擬中，先模擬沉積相和砂體的空間展布，再在不同的沉積相和砂體中模擬各巖石物性參數(shù)的分布。同樣，當奇異值的空間連通模式對研究結(jié)果具有重要影響時，模擬中體現(xiàn)的這種奇異值的空間連通模式應(yīng)該引起特別的重視。例如，再現(xiàn)裂縫切割多個相帶要比再現(xiàn)相的幾何形態(tài)更加重要。

1.5.2 關(guān)于聯(lián)合模擬多個變量的問題

在很多情況下，再現(xiàn)幾個變量的空間相互依賴性很重要。油藏建模時，常需考慮孔隙度、滲透率與含油飽和度的相互關(guān)系。大多數(shù)基于隨機函數(shù)的模擬方法，可以用于聯(lián)合模擬幾個變量。但由于實際問題的復雜性，推斷和模擬交互協(xié)方差在計算機上很難實現(xiàn)。通常在實際應(yīng)用中，先對重要的或相關(guān)性最好的變量(稱主變量)進行模擬，然后用條件分布進行抽樣模擬。例如，在油藏隨機建模中，先對孔隙度進行模擬，因為孔隙度在空間的變化幅度小，自相關(guān)性好。在給定孔隙度的條件下，再對滲透率進行模擬。這種條件分布可直接通過樣品的滲透率和孔隙度的散點圖推斷。類似地，再模擬其他次要變量的分布。

1.5.3 隨機建模中的遍歷性問題

隨機建模的目的就是要生成反映和擬合從原始數(shù)據(jù)中求得的統(tǒng)計量。而此問題的關(guān)鍵在于模擬實現(xiàn)(模型)的統(tǒng)計量體現(xiàn)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計量的程度。由于給定的模型統(tǒng)計量都是由樣本統(tǒng)計得到，而有限的樣本容量往往使得這些統(tǒng)計量比較粗糙，因而通過每個實現(xiàn)來精確地再現(xiàn)每個統(tǒng)計量是不必要或是不可能的。模擬實現(xiàn)的統(tǒng)計量與給定模型的統(tǒng)計量之間的差別稱為“遍歷偏差”。一個隨機函數(shù)，如果其對應(yīng)實現(xiàn)的統(tǒng)計量在研究區(qū)域變大時趨向某一值，則稱該隨機函數(shù)在這一統(tǒng)計量上是遍歷的。因此，只要隨機函數(shù)是平穩(wěn)、遍歷的，且模擬場足夠大，那么，隨機函數(shù)的任何實現(xiàn)的統(tǒng)計量都能夠準確地體現(xiàn)模型的參數(shù)[7-8]。

1.5.4 隨機模型的選擇

在隨機建模中，產(chǎn)生的實現(xiàn)是多個的。但在實際應(yīng)用中， 地質(zhì)人員和油藏工程師大都喜歡單一的確定性模型，而回避多模型化。因此，在很多情況下， 為油藏數(shù)值模擬或其他項目提供地質(zhì)模型，必須從很多實現(xiàn)中選擇1個或幾個有代表性的實現(xiàn)。其選擇依據(jù)是：①實現(xiàn)的統(tǒng)計量與模型統(tǒng)計量的接近程度；②整個模型的主觀審美評價；③選擇一個能體現(xiàn)模擬前未輸入模型的數(shù)據(jù)和特征的實現(xiàn)；④用未使用的信息作為進一步的限制。無論是從主觀的審美出發(fā)還是以實際數(shù)據(jù)作為標準， 實現(xiàn)的選擇必須以實際數(shù)據(jù)為條件。這樣，才能更好地反映研究現(xiàn)象。另外， 選擇實現(xiàn)本身就是一個減小不確定的過程。至于究竟要選取幾個實現(xiàn)，當然選取應(yīng)該是多于1個才能更多地獲取不確定性的信息。如果2個實現(xiàn)得出的結(jié)果不同， 則還應(yīng)選取更多的實現(xiàn)。選擇實現(xiàn)的個數(shù)取決于多少模型能描述油藏的不確定性。但評價不確定性不需要每個實現(xiàn)都覆蓋整個研究區(qū)， 模擬某一典型的剖面或關(guān)鍵的部分也就夠了。

2 智能化全多維計算機隨機模擬技術(shù)在我國部分油氣田綜合勘探、開發(fā)中的應(yīng)用分析

2.1 多信息動態(tài)指標油氣運聚計算機智能模擬技術(shù)在油氣儲層預(yù)測中的應(yīng)用

(1)多信息動態(tài)指標油氣運聚計算機智能模擬可以快速定量評價采區(qū)盆地的油氣運移與成藏規(guī)律，為油氣勘探開采決策提供可靠依據(jù)。某油田項目開發(fā)部采用作者提供的多信息動態(tài)指標科學評價體系與全多維動態(tài)指標油氣運移計算機智能模擬技術(shù)對油田南部南橋地區(qū)與義和莊凸起西部地區(qū)進行了成藏動力學與油氣地質(zhì)資源研究(這2個地區(qū)距離油氣源的距離較遠，都在20 km以上)，得到了這2個地區(qū)的油流體勢及油氣運移模擬剖面，如圖1和圖2所示。

模擬結(jié)果顯示，該2地區(qū)都具有形成油氣藏的油源條件和油氣長距離運移的動力條件。根據(jù)以上模擬結(jié)果，再結(jié)合其他地質(zhì)分析即可為進一步取得新的勘探突破提供有利的資源依據(jù)。

(2)成藏模式的定量研究。在油田開發(fā)階段，可將多信息隨機動態(tài)綜合優(yōu)化模擬應(yīng)用于儲層可采油氣的空間分布、儲層產(chǎn)量預(yù)測、含水率預(yù)測以及流動單元的定量研究等[9-10]。成藏模式是對一個地區(qū)油氣藏的空間分布特征、成藏機制規(guī)律的高度概括，為油氣勘探提供理論指導。而油氣運移模擬研究可以最大限度地為全面完整地建立成藏模式提供重要的定量依據(jù)。圖3為某油田采用作者提供的多指標動態(tài)計算機智能模擬技術(shù)對王家鎮(zhèn)凹陷油流體勢及油氣運移的模擬剖面，該成果為準確完整地建立該地區(qū)油氣藏的成藏模式提供可靠依據(jù)。

圖1 南橋地區(qū)油流體勢及油氣運移模擬剖面Fig.1 Simulation section for oil fluid potential and hydrocarbon migration in Nanqiao area

圖2 義和莊凸起西部油流體勢及油氣運移模擬剖面Fig.2 Simulation section for oil fluid potential and hydrocarbon migration in the west of Yihezhuang Uplift

圖3 王家鎮(zhèn)凹陷現(xiàn)今油流體勢及油氣運移模擬剖面Fig.3 Simulation section for oil fluid potential and hydrocarbon migration inWangjiazhen Sag

2.2 油氣儲層多信息隨機搜索與計算機數(shù)值模擬技術(shù)在塔尖山特殊巖性儲層地質(zhì)構(gòu)造裂縫及油氣預(yù)測數(shù)值模擬流程設(shè)計與裂縫破裂率等值線圖描述中的應(yīng)用

(1)采用三維有限元數(shù)值模擬方法進行綜合預(yù)測的構(gòu)造應(yīng)用場數(shù)值模擬流程(圖4)。

(2)計算機模擬裂縫破裂等值圖(圖5)。

圖4 構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation process of tectonic stress field

圖5 塔尖山裂縫破裂率等值線Fig.5 Contour map of crack fracture rate of Tajianshan

3 結(jié) 論

塔尖山油藏巖性為混合花崗巖，裂縫以構(gòu)造裂縫為主， 主要分布在斷層附近，裂縫方向為近北東向和北西向， 以垂直裂縫和斜交裂縫為主。根據(jù)上述油氣聚集的計算機模擬研究結(jié)果，該采區(qū)已采取了相應(yīng)的切實可行的新方法進行綜合開采， 進而可有效地提高該區(qū)塊的油氣收采率，取得顯著的經(jīng)濟效益。