基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷層封閉性評價

嚴(yán) 恒,王麗君,高 凌,吳碧波,姚意迅

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

自從20世紀(jì)60年代斷層封閉性研究開始以來，國內(nèi)外眾多專家、學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，并取得了一系列豐碩的成果。最早由Smith等提出了斷層封閉的基本原理[1]，之后于1974年Engelde研究了斷裂作用與斷層泥生成間的關(guān)系[2]，Watts于1987年提出了“壓力-深度圖”法來分析斷層的封閉性[3]，在1995年，Berg分析了泥巖剪切帶的起源、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等，并討論了其封閉能力[4]，之后許多專家學(xué)者提出了更多評價斷層封閉性的方法：Knipe提出了巖性并置法判斷斷層的封閉性，Lindsay提出了使用泥巖沾污因子定量評價斷層封閉性的方法[5]，在他的基礎(chǔ)上，Yielding提出了利用SGR(斷層泥比率)來評價斷層的封閉性[6]。國內(nèi)專家如呂延防使用非線性映射法與概率模擬法建立了早期探區(qū)斷層封閉性判別模型[7]，魯兵提出了“斷層主滑面”的概念并應(yīng)用它來評價斷層的封閉性[8]，張立寬、羅曉容提出了斷層連通概率的概念，并應(yīng)用它來評價斷層的封閉性[9]。

大量的研究成果已經(jīng)表明：斷層的封閉性評價已經(jīng)走向了多學(xué)科、多角度，并從定性到定量的研究階段。盡管國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對斷層的封閉性研究做了大量的工作，但仍有不盡人意之處，因為斷層封閉性研究本來就是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響斷層封閉性的因素眾多，其中一些可以定量描述，然而有一些卻只能定性描述，很難把它們統(tǒng)一起來，而且各因素之間又相互影響，它們與斷層封閉性之間的關(guān)系不能用一個公式簡單的加以概括，因而本文提出了利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來評價斷層封閉性的方法，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)程度高，收斂速度快、誤差小、不用考慮樣本與結(jié)果之間是否具有明確的線性關(guān)系等優(yōu)點，因而是定量評價斷層封閉性的一種較為合適的方法[10-11]。

1 影響斷層封閉性的因素

在利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價斷層的封閉性之前，首先要了解影響斷層封閉性的影響因素。綜合前人的研究成果，認(rèn)為影響斷層封閉性的因素主要歸納為定性成分和定量成分兩大類。定性成分主要是斷層類型、斷面幾何形態(tài)、斷層生長活動性、是否斷穿上覆巖層、斷層組合、斷層數(shù)目和構(gòu)造樣式等[12]。而定量成分為斷距、斷層傾角、斷層埋深、斷面正應(yīng)力、斷層兩側(cè)泥巖地層的流體壓力和斷層泥涂抹等[13]。

本次實例研究選取了南海西部X油田中淺層斷裂為研究目標(biāo)，該區(qū)斷層主要形成于古近紀(jì)，主要斷開層位為潿洲組，部分向上斷至下洋組，向下斷至流沙港組底部。剖面特征為正斷層，斷距較小，為幾十米至兩百米之間，多與斷層兩盤地層形成復(fù)式半地塹式構(gòu)造(圖1)。

圖1 研究區(qū)典型斷裂剖面

分析認(rèn)為，泥巖地層流體壓力是埋深和孔隙度的函數(shù)，斷面正應(yīng)力是斷層傾角和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的函數(shù)，泥比率(SGR)是斷距和泥巖層厚的函數(shù)，這三個參數(shù)基本包括了斷層封閉性定量分析的影響因素，是定量評價斷層封閉性的理想選擇[9]。因此本次研究選取了最能定量表征斷層封閉性的泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力和泥比率(SGR)參數(shù)，進(jìn)行斷層封閉性分析。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價斷層封閉性

依據(jù)本次研究訓(xùn)練樣本的特征，設(shè)計了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3層，輸入層神經(jīng)元個數(shù)為3個，分別代表泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力、泥比率(SGR)，隱含層神經(jīng)元個數(shù)則依據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)的公式算出為7個，輸出層神經(jīng)元為2個，代表了斷層的封閉和開啟狀態(tài)，分別用[1 0]和[0 1]來代表，設(shè)計訓(xùn)練次數(shù)為3 000次，訓(xùn)練誤差為0.01，訓(xùn)練速率為0.01。

選取研究區(qū)橫切斷層，且過試油井的連井剖面，在不同深度處選取一些觀測點，計算各個觀測點的泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力、泥比率(SGR)，如表1所示。

利用斷層兩側(cè)試油井的結(jié)論資料判斷斷層的封閉性，以[1 0]和[0 1]分別代表斷層的封閉和開啟，由此建立這三個參數(shù)與斷層封閉性之間的聯(lián)系，以此為樣本來訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在訓(xùn)練之前，需先將泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力的值進(jìn)行歸一化，然后再帶入訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

表1 X8井不同流速對應(yīng)的不同產(chǎn)氣量

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練圖

由該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程圖(圖2)可以看出，只經(jīng)過了62次訓(xùn)練，該網(wǎng)絡(luò)就達(dá)到了訓(xùn)練目標(biāo)，收斂速度非常快，符合我們對網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求。

接著，使用這已訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步評價區(qū)內(nèi)尚未參加訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的斷層封閉性。本次研究選取well4-well7井油藏地質(zhì)剖面(圖3)，在well6-F、well7-F1和well7-F2三條斷層的斷裂帶附近選取了A～I(xiàn)共9個點，分別計算每個點處的泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力、泥比率(SGR)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 well4-well7油藏剖面各觀測點斷層封閉性判斷參數(shù)

從表2、圖3中可見，9個點中只是在D、G兩點存在非常小的誤差，但并沒有影響到對斷層封閉性的屬性判別。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出的斷層封閉性判別結(jié)果和由試油資料得出的結(jié)論整體吻合性好，說明使用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來評價該區(qū)斷層的封閉性是可行的。結(jié)合well4-well7井油藏剖面圖(圖3)也可以看出，斷層在油氣的運移聚集中起了很大作用，該區(qū)油氣主要來源于下伏地層，油氣沿著斷層開啟位置處向上運移，而在斷層封閉位置處聚集起來，形成油氣藏。

圖3 well4-well7井油藏剖面

3 結(jié)論

(1)由于影響斷層封閉性的眾多因素與斷層封閉性之間的關(guān)系不能用一個簡單的公式加以概括，而且各因素之間又相互影響，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來評價斷層封閉性具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、收斂速度快、非線性映射能力強(qiáng)的優(yōu)點，是研究斷層封閉性的較為合適的方法。

(2)從定量方面去評價斷層的封閉性，優(yōu)選出泥巖地層流體壓力、斷面正應(yīng)力、斷層泥比率(SGR)三個參數(shù)最能定量表征斷層封閉性。通過實例分析誤差非常小，且利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來評價斷層的封閉性效果非常好。