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概率神经网络技术在非均质地层岩性反演中的应用

关 键 词:
概率 神经 网络技术 质地 层岩性 反演 中的 应用
资源描述:
  第 29 卷   第 4 期2008 年 7 月 石 油 学 报I 29J 42008基 金 项 目 :国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 规 划 (973)项 目 (2007 助 。作 者 简 介 :张 绍 红 ,男 ,1965 年 10 月 生 ,2002 年 获 中 国 矿 业 大 学 (北 京 )博 士 学 位 ,现 为 辽 宁 工 程 技 术 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院 教 授 ,主 要 从 事 地 震 处理 、 解 释 、 反 演 、 油 气 储 层 预 测 研 究 及 相 关 教 学 工 作 。 编 号 : 025322697 (2008) 0420549204概 率 神 经 网 络 技 术 在 非 均 质 地 层 岩 性 反 演 中 的 应 用张 绍 红 1 ,2(11 辽 宁 工 程 技 术 大 学 资 源 与 环 境 工 程 学 院   辽 宁 阜 新   123000 ;   21 中 国 石 油 大 学 资 源 与 信 息 学 院   北 京   102249)摘 要 :提 出 了 一 种 由 多 测 井 和 多 地 震 属 性 参 数 组 成 的 概 率 神 经 网 络 方 法 ,来 进 行 非 均 质 性 较 强 的 油 气 储 层 的 预 测 。 介 绍 了 该 方 法的 网 络 模 型 构 建 和 地 层 岩 性 预 测 的 过 程 。 利 用 该 概 率 神 经 网 络 方 法 ,研 究 了 我 国 西 南 某 一 岩 性 油 气 田 沙 一 段 湖 滩 砂 及 河 道 砂 体 。运 用 测 井 响 应 特 征 、 地 震 属 性 特 征 与 地 质 岩 性 特 征 的 相 关 性 对 概 率 神 经 网 络 进 行 了 培 训 ,从 而 对 地 层 特 征 进 行 了 预 测 和 识 别 ,并 取得 了 较 好 的 应 用 效 果 。关 键 词 :概 率 神 经 网 络 技 术 ;储 层 预 测 ;岩 性 反 演 ;相 关 性 ;地 震 参 数 ;地 层 特 征中 图 分 类 号 : 45         文 献 标 识 码 : of of 2(1. L y , 23000 , . y nf y et B ei j 02249 , In to a on of of to of a in in is of of to by to of in 震 资 料 神 经 网 络 非 线 性 反 演 中 ,一 般 常 用 “ 误差 反 向 传 播 ” 多 层 前 馈 神 经 网 络 方 法 。 该 方 法 的 实 质是 在 解 向 量 空 间 内 ,沿 着 误 差 性 能 超 曲 面 的 最 陡 梯 度下 降 方 向 的 寻 优 过 程 。 误 差 性 能 超 曲 面 的 最 低 点 误 差最 小 ,是 理 论 上 的 最 优 解 [ 122 ] 。 但 是 由 于 实 际 地 质 情 况的 复 杂 性 和 资 料 的 不 完 备 性 ,使 得 神 经 网 络 在 迭 代 过程 中 易 陷 入 局 部 极 小 值 ,而 难 于 达 到 全 局 最 优 解 。 因此 ,多 层 前 馈 神 经 网 络 存 在 着 迭 代 时 间 长 、 收 敛 缓 慢 乃至 难 于 收 敛 等 缺 点 [ 124 ] 。 笔 者 提 出 了 一 种 概 率 神 经 网络 方 法 ,来 预 测 非 均 质 性 较 强 的 油 气 储 层 。1   概 率 神 经 网 络 方 法 基 本 原 理概 率 神 经 网 络 是 以 径 向 基 函 数 为 内 核 的 一 种神 经 网 络 ,采 用 了 局 部 化 的 作 用 函 数 ,具 有 最 佳 逼 近特 性 ,且 没 有 局 部 极 小 值 。 概 率 神 经 网 络 方 法 可 以 看作 线 性 聚 类 分 析 法 的 非 线 性 扩 展 ,是 一 种 利 用 神 经网 络 结 构 实 现 的 数 学 插 值 方 法 [ 3 ,527 ] 。 概 率 神 经 网 络 方法 具 有 高 度 的 容 错 性 ,即 使 某 个 井 旁 道 地 震 参 数 或某 个 网 络 连 接 有 缺 陷 ,也 可 以 通 过 联 想 得 到 全 部 或 大部 分 信 息 。 因 此 ,用 概 率 神 经 网 络 建 立 地 震 属 性 和测 井 特 征 属 性 之 间 的 映 射 关 系 可 靠 性 高 。 概 率 神 经 网络 方 法 还 具 有 动 态 适 应 性 ,当 地 质 岩 性 类 别 变 化 或 地震 参 数 修 改 时 ,网 络 可 自 动 适 应 新 的 变 量 ,调 整 权 系数 ,直 到 收 敛 [ 829 ] 。 对 于 受 岩 性 控 制 的 储 层 ,概 率 神 经网 络 是 描 述 其 地 震 属 性 参 数 与 岩 性 参 数 关 系 的 有 效方 法 。550   石     油     学     报 2008 年   第 29 卷  笔 者 采 用 的 概 率 神 经 网 络 是 由 多 测 井 和 多 地 震 属性 参 数 组 成 的 网 络 。 首 先 ,将 由 测 井 曲 线 和 井 旁 地 震道 提 取 的 特 征 参 数 按 照 地 质 岩 性 参 数 分 成 若 干 类 ;然后 ,通 过 非 线 性 数 学 模 型 的 神 经 网 络 学 习 系 统 ,由 输 入矢 量 产 生 输 出 矢 量 ,并 把 这 个 输 出 矢 量 与 目 标 矢 量 进行 平 方 意 义 下 的 误 差 对 比 ;再 以 共 轭 迭 代 梯 度 下 降 法作 权 的 调 整 ,以 减 少 输 出 矢 量 与 目 标 矢 量 的 差 异 ,直 到两 者 没 有 差 异 训 练 才 结 束 [ 10212 ] 。假 设 在 图 1 上 有 6 个 点 ( … , ,它 们 是两 种 地 震 属 性 x 和 y 的 函 数 ,可 以 利 用 每 一 点 到 离 建 立 它 们 与 的 关 系 ,即 ( x i - 2 + ( 2式 中 : i = 1 ,2 , … ,6。如 果 加 上 第 三 种 属 性 ,就 可 以 得 到 一 个 3D 属 性空 间 ;更 多 的 属 性 可 以 产 生 N 维 空 间 。 现 在 ,假 定 通过 测 井 曲 线 解 释 出 2 个 不 同 的 岩 性 类 别 A 类 和 B 类(图 1) ,例 如 砂 岩 和 泥 岩 ,或 含 气 砂 岩 和 含 水 砂 岩 等 ,其 中 于 A 类 , 于 B 类 。图 1   性 的 测 井 曲 线 与 地 震 属 性 对 应 关 系 1   of 22 将 为 神 经 网 络 训 练 点 ,只 要 知道 地 震 属 性 值 ,就 可 以 通 过 神 经 网 络 预 测得 到 一 个 新 的 输 出 点 属 性 值 其 表 达 式 为 p1 e- σ 2 + p2 e- σ 2 + p3 e- σ 2e- σ 2 + e- σ 2 + e- σ 2(1)式 中 :σ 为 圆 滑 参 数 。在 网 络 实 现 时 ,通 过 给 距 离 加 上 指 数 权 函 数 (称 为 算 子 )来 进 一 步 确 定 预 测 概 率 。 对 于 A 类 和B 类 这 两 种 岩 性 ,指 数 权 函 数 方 程 式 为 = e- σ 2 + e- σ 2 + e- σ 2 = e- σ 2 + e- σ 2 + e- σ 2通 过 神 经 网 络 系 统 不 断 调 整 圆 滑 参 数 σ 值 ,从 而调 整 指 数 权 函 数 的 大 小 ,以 得 到 不 同 的 分 类 结 果 。根 据 理 ,给 每 一 类 岩 性 属 性 分 配 一 个 概率 p + + (2)判 别 准 则 是 :如 果 在 有 p p 那 么 属 于 A 类 ;如 果 p p 那 么 属 于B 类 。假 设 每 口 井 有 n 个 训 练 样 点 ,每 个 样 点 含 3 种 地震 属 性 ( 和 一 种 实 际 观 测 测 井 属 性 L (如 岩性 ) ,则 每 口 井 的 训 练 数 据 可 表 示 如 下 :{ A1 i , A2 i , A3 i , L i }     ( i = 1 ,2 , … , n)给 定 了 训 练 数 据 后 ,概 率 神 经 网 络 ( 假 定 每一 个 新 的 输 出 测 井 曲 线 值 都 是 各 训 练 样 点 的 线 性 组合 。 设 任 一 个 训 练 数 据 样 点 属 性 值 { A1 i , A2 i , A3 i , L i }式 中 : i = 1 ,2 , … , n。那 么 ,根 据 广 义 递 归 概 率 神 经 网 络 来 预 测 的 新 输入 点 属 性 值 p 的 (岩 性 ) 属 性 估 计 值 可 表 达 为L^ ( p) = ∑ 1L i - d ( p , ] /∑ 1 - d ( p , ] (3)式 中 : d ( p , 是 指 输 入 点 (属 性 值 p) 与 每 一 个 训 练点 (属 性 值 的 距 离 ,其 计 算 式 为d ( p , = ∑3j = 1[ ( /σ j ]2 (4)在 多 维 空 间 计 算 d ( p , ,并 用 圆 滑 参 数 σ j 进 行比 例 化 ,不 同 属 性 时 其 比 例 因 子 不 同 。在 网 络 的 训 练 中 可 以 确 定 出 σ j ,确 定 这 些 参 数 的原 则 是 使 网 络 达 到 最 小 的 验 证 误 差 。如 第 m 个 目 标 样 点 (属 性 值 的 验 证 结 果 公 式如 下 :L^ m ( = ∑ 1L i - d ( ] /∑ - d ( ] (5)这 是 当 第 m 个 目 标 样 点 不 参 与 网 络 训 练 时 得 到的 预 测 值 。 只 要 知 道 了 这 个 样 点 的 实 际 测 量 值 ,就 能  第 4 期 张 绍 红 :概 率 神 经 网 络 技 术 在 非 均 质 地 层 岩 性 反 演 中 的 应 用 551  计 算 出 预 测 值 误 差 的 大 小 。 对 每 一 个 训 练 样 点 重 复 上述 计 算 步 骤 ,就 能 得 到 所 有 训 练 数 据 的 总 预 测 误 差 ,其计 算 式 如 下 :σ 1 ,σ 2 ,σ 3 ) = ∑ 1( L i - L^ i ) 2 (6)预 测 误 差 与 选 择 的 圆 滑 参 数 σ j 有 关 。 该 值 可 以利 用 非 线 性 共 轭 梯 度 法 取 得 最 小 值 [6 ] ,使 训 练 得 到 的网 络 具 有 使 验 证 误 差 达 到 最 小 的 特 点 。2   应 用 实 例研 究 区 位 于 我 国 西 南 某 岩 性 油 气 田 ,目 的 层 为 沙一 段 河 湖 相 砂 泥 岩 沉 积 ,一 般 厚 350~ 400 m ,单 层 厚度 一 般 约 为 10 m ,目 的 层 段 地 震 时 窗 约 为 900~ 1 200图 2) 。 由 测 井 曲 线 特 征 和 基 础 井 网 开 发 井 岩 性 分析 得 知 ,该 区 块 岩 性 横 向 变 化 较 大 。图 2   研 究 区 某 联 井 地 震 剖 面 2   of in 研 究 区 地 层 特 点 ,选 定 分 析 时 窗 为 900~1 200 提 取 了 波 阻 抗 、 频 率 、 主 分 量 等 20 种 地 震 属性 参 数 来 训 练 神 经 网 络 ,研 究 了 砂 岩 发 育 和 砂 岩 不 发育 的 地 层 分 布 特 征 ,并 通 过 地 震 属 性 检 测 岩 性 。 把 测井 曲 线 中 同 时 满 足 自 然 伽 马 值 小 于 90 A 密 度 大 于21 43 g/ 速 度 大 于 4 430 m/ s 及 电 阻 率 大 于 74Ω · 性 ,赋 值 为 (含 油 气 ) 砂 岩 ,其 余 地 层 为 泥 岩 ,这 样把 (含 油 气 ) 砂 岩 分 离 出 来 (图 3 ) 。 由 图 4可 以 看 出 ,图 3   井 36 测 线 地 震 剖 面 与 测 井 曲 线 对 比 3   阻 抗 值 大 于 11 750 ( m· s - 1 · g· 3 ) 时 , 砂 岩的 预 测 概 率 大 于 50 % ;在 波 阻 抗 为 11 000~ 11 750(m· s - 1· g· 3 )时 ,砂 岩 的 预 测 概 率 为 33 %~ 50 %。在 利 用 概 率 神 经 网 络 对 研 究 区 进 行 岩 性 预 测 基 础 上 ,可 进 一 步 计 算 砂 岩 厚 度 。 如 果 在 研 究 区 内 有 钻 井 ,就可 以 进 一 步 将 预 测 的 储 层 厚 度 与 实 际 探 测 厚 度 比 较 。由 图 5 和 图 6 可 以 看 出 ,砂 岩 预 测 结 果 与 地 质 岩 性 分布 吻 合 较 好 。 表 1 给 出 了 用 概 率 神 经 网 络 对 研 究 区 9口 井 沙 一 段 底 滨 浅 湖 滩 某 一 单 层 砂 岩 (0~ 20 m) 厚 度的 预 测 结 果 与 实 钻 结 果 ,从 中 可 以 看 出 最 大 预 测 误 差为 1 m ,与 实 际 钻 探 结 果 基 本 吻 合 ,这 表 明 概 率 神 经 网络 预 测 结 果 具 有 很 高 的 精 确 度 。图 4   某 测 线 预 测 砂 岩 与 波 阻 抗 属 性 关 系 概 率 统 计 4   in   研 究 区 某 联 井 测 线 反 演 砂 岩 概 率 分 布 5   of   研 究 区 某 联 井 测 线 反 演 岩 性 剖 面 6   of in 石     油     学     报 2008 年   第 29 卷  表 1   沙 一 段 底 滨 浅 湖 滩 单 层 砂 岩 预 测 厚 度 与 钻 探 结 果   of 单 层 砂 岩 厚 度 / 值 钻 探 值 预 测 误 差 /m 误 差 率 /%19 111 2 1114 - 012 11 816 161 0 1510 110 61 736 101 0 1014 - 014 31 841 81 3 813 0 027 131 5 1318 - 013 21 237 91 0 910 0 043 101 3 1016 - 013 21 834 101 0 1014 - 014 31 839 91 5 918 - 013 31 13   结   论概 率 神 经 网 络 方 法 的 基 础 就 是 建 立 井 旁 道 地 震 参数 与 已 知 井 岩 性 的 关 系 ,从 而 实 现 地 层 岩 性 的 横 向 预测 。 该 方 法 在 非 均 质 性 较 强 的 地 层 预 测 中 具 有 较 明 显的 优 势 。 实 际 应 用 表 明 ,概 率 神 经 网 络 方 法 能 有 效 地利 用 自 然 伽 马 、 波 阻 抗 等 属 性 进 行 岩 性 反 演 预 测 ,并 取得 了 较 好 的 效 果 。参 考 文 献[ 1 ]   杨 文 采 . 地 球 物 理 反 演 的 理 论 与 方 法 [ M ] . 北 京 :地 质 出 版 社 ,1997 :on M ] . 1997 :2422267.[ 2 ]   of J ] . 1998 ,63 (6) :203522041.[ 3 ]   F M , H , J T ,et of ] . 1996 ,61 (3) :6312638.[ 4 ]   K , L . 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