聚類分析技術(shù)在江蘇油田韋2斷塊儲(chǔ)層流動(dòng)單元?jiǎng)澐种械膽?yīng)用

張連鋒，袁志華，張玉清，黎 明，黎錫瑜，王艷霞

(1.長(zhǎng)江大學(xué)研究生院，湖北武漢 430000；2.中國(guó)石化河南油田分公司石油勘探開發(fā)研究院)

聚類分析技術(shù)在江蘇油田韋2斷塊儲(chǔ)層流動(dòng)單元?jiǎng)澐种械膽?yīng)用

張連鋒1，2，袁志華1，張玉清1，黎 明2，黎錫瑜2，王艷霞2

(1.長(zhǎng)江大學(xué)研究生院，湖北武漢 430000；2.中國(guó)石化河南油田分公司石油勘探開發(fā)研究院)

聚類分析是研究樣本分類的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，通過分析各樣本或變量間的相似性逐步對(duì)其歸類。在精選表征流動(dòng)單元的特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用系統(tǒng)聚類方法將江蘇油田韋2斷塊流動(dòng)單元合理地劃分為四類，并詳細(xì)分析了這四類流動(dòng)單元的特征。結(jié)果表明，系統(tǒng)聚類分析技術(shù)是劃分流動(dòng)單元的有效方法之一。

聚類分析；系統(tǒng)聚類；流動(dòng)單元；數(shù)據(jù)挖掘

儲(chǔ)層流動(dòng)單元(Petrophysical Flow Unit)，簡(jiǎn)稱流動(dòng)單元，是20世紀(jì)80年代中后期興起的一種儲(chǔ)層研究方法。流動(dòng)單元概念的提出和應(yīng)用為儲(chǔ)層非均質(zhì)性的研究提供了一種有效的方法，特別是對(duì)油氣田的二次采油和三次采油階段儲(chǔ)層的精細(xì)研究具有重要的意義。由于流動(dòng)單元的發(fā)育特征和空間分布受沉積作用、構(gòu)造作用、成巖作用等多種因素的影響和控制，甚至受油田開發(fā)所采取的各種措施的影響，如注水開發(fā)后儲(chǔ)油層的物性會(huì)發(fā)生變化等，因此，要達(dá)到科學(xué)劃分儲(chǔ)層流動(dòng)單元的目的，就必須在準(zhǔn)確選取表征流動(dòng)單元特征參數(shù)的同時(shí)，運(yùn)用一種合理的方法對(duì)所選取的參數(shù)進(jìn)行分析和歸類。

韋2斷塊為江蘇東臺(tái)坳陷高郵凹陷北斜坡赤岸構(gòu)造上的一個(gè)狹長(zhǎng)斷鼻構(gòu)造，區(qū)內(nèi)物性較差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性特征較強(qiáng)。本次研究目的是在精選表征流動(dòng)單元特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，合理地對(duì)該區(qū)儲(chǔ)層流動(dòng)單元進(jìn)行劃分。解決方案采用系統(tǒng)聚類算法對(duì)所選參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分，以求找出不同流動(dòng)單元的特征，實(shí)現(xiàn)分類的目標(biāo)[1]。

1 聚類分析的數(shù)據(jù)挖掘過程

系統(tǒng)聚類分析(Hierachical cluster analysis)是最常用的聚類分析方法之一，它是采取分類后各亞類內(nèi)距離最小、亞類間距離最大的基本原則來定量地確定研究對(duì)象不同種類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[2]。對(duì)系統(tǒng)聚類分析來說，一批給定樣品的類型和數(shù)目事先都不知道，正好是需要通過聚類分析以后結(jié)合地質(zhì)解釋來確定劃分的類型和數(shù)目。設(shè)樣本集X如聚類分析的數(shù)學(xué)模型所述有M個(gè)樣本，我們要將這M個(gè)樣本劃分為n類。譜系聚類法將模式樣本按距離準(zhǔn)則逐步聚類，類別由多到少，直到滿足合適的分類要求為止。該算法由以下步驟迭代實(shí)現(xiàn)：

初始化：令n個(gè)模式樣本自成一類，即建立n個(gè)子集X1(0)，X2(0)，…，Xn(0)。計(jì)算各類之間的距離，可得到一個(gè)n×n維的距離矩陣D(0)，其中右上角標(biāo)號(hào)(0)表示聚類開始運(yùn)算前的狀態(tài)。設(shè)定迭代次數(shù)計(jì)數(shù)器為b=0。

步驟一：求距離矩陣D(0)中的最小元素(對(duì)角線元素除外)，如果該最小元素為Xi(b)和Xj(b)兩類之間的距離，則將Xi(b)和Xj(b)合并為一類Xij(b+1)，并由此建立新的分類：X1(b+1)，X2(b+1)，…；步驟二：計(jì)算合并后的新類別之間的距離，得距離矩陣D(b+1)；(注意：計(jì)算Xij(b+1)與其他沒有發(fā)生合并的X1(b+1)，X2(b+1)，…之間的距離時(shí)，有多種不同的計(jì)算準(zhǔn)則，如最短距離法、最長(zhǎng)距離法、中間距離法、重心法、類平均距離法等)。步驟三：令b=b+1，跳轉(zhuǎn)到步驟一，重復(fù)計(jì)算及合并，可一直將全部樣本聚集成一類為止；也可取閾值D，當(dāng)D(b)的最小分量超過閾值D時(shí)，算法停止，所得到的分類結(jié)果即為聚類結(jié)果。

顯然，對(duì)于任意兩個(gè)樣本Xj和Xk，它們必然會(huì)在某個(gè)層次上(比如說b)被聚合到同一類中，在更高的層b′>b上這兩個(gè)樣本也仍然處在同一類中。聚類分析的數(shù)據(jù)挖掘過程如圖1所示。

圖1 流動(dòng)單元聚類分析的數(shù)據(jù)挖掘過程

從目前研究成果來看，劃分流動(dòng)單元的參數(shù)主要包括：孔隙度、滲透率、粒度中值、泥質(zhì)含量、地層系數(shù)、凈毛比、飽和度、傳導(dǎo)系數(shù)、沙地比、孔喉半徑、孔喉比、流動(dòng)層段指數(shù)(FZI)等。在選取參數(shù)時(shí)，要全面、準(zhǔn)確和適當(dāng)。因此，表征流動(dòng)單元?jiǎng)澐謪?shù)的選取要體現(xiàn)宏觀與微觀、沉積與成巖、巖石骨架與流體性質(zhì)各個(gè)方面。本次研究選取反映儲(chǔ)層宏觀物性的孔隙度φ和滲透率K、反應(yīng)沉積環(huán)境的泥質(zhì)含量VSH、反應(yīng)微觀孔隙結(jié)構(gòu)的孔喉半徑R35和流動(dòng)層段指數(shù)FZI等儲(chǔ)層特征參數(shù)，共同作為儲(chǔ)層流動(dòng)單位劃分的樣本參數(shù)。同時(shí)，為了消除變量的單位、數(shù)量級(jí)和變量絕對(duì)值大小的影響，在聚類分析前，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理。

系統(tǒng)聚類分析和結(jié)果可視化在計(jì)算樣本類與類之間的距離時(shí)，最短距離法與重心法使空間過于濃縮，分級(jí)的靈敏性較差，不易區(qū)分各樣本性質(zhì)間的細(xì)微差別；而最長(zhǎng)距離法、可變類平均法和離差平方和法又使空間過于擴(kuò)張，即靈敏度過高，過分顯示各樣本性質(zhì)的細(xì)微差別，以致影響劃分類別。而類平均法的靈敏度及并類距離適中，可以得到較好的分類結(jié)果[3]。經(jīng)綜合考慮，本次研究采用類平均法對(duì)各樣本進(jìn)行聚類分級(jí)，運(yùn)用Matlab中的基本矩陣操作實(shí)現(xiàn)聚類算法，對(duì)樣品進(jìn)行聚類，聚類結(jié)果如圖2所示。

圖2 流動(dòng)單元參數(shù)樣本的聚類分析譜系

2 應(yīng)用效果分析

本次研究將韋2斷塊儲(chǔ)層流動(dòng)單元?jiǎng)澐譃镻、F、G、E四類，應(yīng)用系統(tǒng)聚類方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)各個(gè)小層進(jìn)行聚類分析，從分析結(jié)果來看，聚類算法可以很好地對(duì)儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行分類。通過對(duì)各類儲(chǔ)層參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到各流動(dòng)單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)如表1所示。

E類流動(dòng)單元：該類流動(dòng)單元是該區(qū)最好的一類流動(dòng)單元，以中砂巖、細(xì)砂巖為主，顆粒分選較均勻，對(duì)應(yīng)的孔喉都較大，以粒間孔、粒間溶孔為主，其孔隙度平均20%左右，滲透率達(dá)18×10-3μm2左右，R35孔喉半徑一般也大于1.4 μm，束縛水飽和度小于20%，而泥質(zhì)含量只有12%左右，在壓汞曲線上表現(xiàn)為大孔粗喉、分選較好的特征。在注水開發(fā)中該類流動(dòng)單元見效快，采出程度高，但在開發(fā)后期易形成水竄通道。

表1 韋2斷塊流動(dòng)單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)

G類流動(dòng)單元：該類流動(dòng)單元是該區(qū)較好的一類流動(dòng)單元。以細(xì)砂巖為主，見中砂、粗砂巖，顆粒分選不很均勻，孔隙以粒間溶孔為主。雖然該類流動(dòng)單元泥質(zhì)含量不是太高，但其它特征參數(shù)明顯比E類流動(dòng)單元差。孔隙度平均為17%，滲透率(7～35)×10-3μm2，對(duì)應(yīng)的孔喉比E類流動(dòng)單元小。含油飽和度一般為50%～58%，束縛水飽和度20%～25%。在壓汞曲線上表現(xiàn)為中孔中喉的特征，油水在其中較易運(yùn)動(dòng)，是該區(qū)主要的儲(chǔ)集單元。

F類流動(dòng)單元：該類流動(dòng)單元是該區(qū)較差的一類流動(dòng)單元。以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，顆粒分選不均勻，孔隙仍以粒間孔、粒間溶孔為主。孔隙度平均15%，滲透率(3～20)×10-3μm2，對(duì)應(yīng)的孔喉比G類流動(dòng)單元小。含油飽和度一般為30%～50%，束縛水飽和度25%～35%，而泥質(zhì)含量也比E類和G類流動(dòng)單元含量高。該類流動(dòng)單元的滲流能力較差，在注水開發(fā)后期易形成剩余油富集。

P類流動(dòng)單元：該類流動(dòng)單元是該區(qū)最差的一類流動(dòng)單元。以泥質(zhì)粉砂巖、致密膠結(jié)細(xì)砂巖為主，顆粒分選不均勻或膠結(jié)物均勻分布。該類流動(dòng)單元孔隙度平均12%左右，含油飽和度只有16%，泥質(zhì)含量高達(dá)42%左右，其孔滲和孔喉參數(shù)都很小。因此，該類流動(dòng)單元一般都是較致密的泥質(zhì)砂層。

為了更好地研究韋2斷塊油藏流動(dòng)單元在平面上分布的特征，將聚類算法得出的四類流動(dòng)單元與沉積微相進(jìn)行疊加(圖3)，可以直觀地反映儲(chǔ)層的優(yōu)劣與微相的相關(guān)性，結(jié)果表明各類流動(dòng)單元受沉積作用控制明顯，在分流河道發(fā)育的部位，流動(dòng)單元多發(fā)育G類和E類流動(dòng)單元。各類流動(dòng)單元的分布明顯受沉積作用的控制，與沉積微相具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從各小層流動(dòng)單元圖來看，流動(dòng)單元類型以P類流動(dòng)單元為主，占整個(gè)研究區(qū)的60%以上；少量土豆?fàn)畹腅類流動(dòng)單元出現(xiàn)在河道的附近，沒有形成大片儲(chǔ)集性和滲流性好的砂層；G類流動(dòng)單元和F類流動(dòng)單元呈小片狀分布。

圖3 韋2斷塊E1f12-3(1)小層流動(dòng)單元分布平面

3 結(jié)論

(1)用聚類分析方法將江蘇油田韋2斷塊流動(dòng)單元?jiǎng)澐譃?類，各類流動(dòng)單元類內(nèi)相似，類間差別明顯，同時(shí)，該方法是對(duì)事先不知類型和數(shù)目的樣品進(jìn)行選擇性劃分，并對(duì)劃分變量和數(shù)目都可進(jìn)行調(diào)整分析。因此，聚類分析算法是劃分儲(chǔ)層流動(dòng)單元的一種適用方法。

(2)研究區(qū)構(gòu)造較平緩，注水開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，E類流動(dòng)單元儲(chǔ)集性能好水淹程度強(qiáng)，油層已基本強(qiáng)水淹，而儲(chǔ)集物性相對(duì)較差的 G類流動(dòng)單元和F類流動(dòng)單元，由于水淹程度較低，是研究區(qū)下步開發(fā)的潛力區(qū)。

[1] 桂峰，黃智輝，馬正，等.利用灰關(guān)聯(lián)聚類法劃分并預(yù)測(cè)流動(dòng)單元[J].現(xiàn)代地質(zhì)，1999，13(3)：339-344.

[2] RAguilera， MSAguilera.The integration of capillary pres-sures and pickett plots for determination of flow units and reservoir containers[J].SPE71725，2001：1-13.

[3] 楊健.鞍山巖溶地面塌陷環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量系統(tǒng)聚類分級(jí)[J].中國(guó)巖溶，2000，19(4)：335-341.

編輯：吳官生

1673-8217(2015)02-0087-03

2014-10-25

張連鋒，工程師，1981年生， 2006年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)石油工程專業(yè)，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛蜌馓镩_發(fā)地質(zhì)與技術(shù)。

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