井組級多參數層系快速智能化動態評價方法研究與應用

高雯，王小寧，馬新凱，韓濤，彭博，裴云龍，郭文敏，邢國強

（1.中國石油長慶油田分公司第九采油廠，寧夏銀川 750006；2.常州大學石油工程學院，江蘇常州 213000）

由于地下儲層非均質性的存在，油田前期開發方案的設計以及后期調整措施的實施，其根本目的在于解決油田開發過程中受地質、流體等因素引起的縱向、平面非均質性影響開發效果的矛盾，其中層系劃分重組是解決縱向非均質性矛盾的首要方式，通過近似層組合降低層間非均質性以達到提高采收率的目的。為此需要開展井組級多參數層系快速智能化動態評價方法研究。目前通過智能化方法進行層系快速劃分主要采用模糊聚類分析方法、枚舉法以及平均隸屬度方法。在模糊聚類分析方法上：陳明強等[1]利用模糊聚類分析方法對油氣田開發層系進行劃分，他們認為利用模糊聚類方法進行層系劃分使層系的差異性更加恰當且劃分的結果更加準確。張順康等[2]基于熵權算法進行了劃分層系，他們認為該方法能夠避免人為主觀因素的干擾，同時層系劃分的結果更加準確合理。誠然，還有部分學者利用模糊聚類方法進行層系劃分[3-5]，但他們方法的核心都是模糊聚類方法。在利用枚舉法進行層系劃分的研究方面：崔傳智等[6]基于枚舉法，綜合技術與經濟兩方面，建立了層系重組優化方法，篩選出了最優方案。而本文則利用人工智能領域常用的平均隸屬度方法[7-10]，計算評價值大小，確定評價等級，通過優選層系評價參數以及明確參數等級范圍，可以快速有效地分析各井組的層間矛盾以及后期的發展趨勢，為現場調整時機的確定提供有效的技術支持。

1 多參數智能化動態評價方法建立

1.1 非均質性的表述形式

一般對于非均質性的表述方法主要有滲透率級差、突進系數、變異系數、洛倫茲系數等，其中級差表示形式為最大值與最小值之比，但當最小值存在0 值時，級差的表述形式不適合；突進系數為最大值與平均值之比，當最大值比較大時，突進系數變得較大，不易確定其上限大小；變異系數和洛倫茲系數為統計學方法的表征形式，形式相對復雜，參數大小的直觀性差。為此，對于層間非均質性的表述，采用突進系數的倒數作為表征縱向差異的大小參數，即：，可見該值范圍始終處于0～1。

1.2 層系評價參數的優選及其非均質性表征

目前，對于層系的評價，多數選擇各小層滲透率計算層間非均質性，采用滲透率級差、洛倫茲系數等非均質性表征方法進行層系劃分和評價。

但在水驅開發過程中，層系的縱向滲流差異并非靜態，而是受油水黏度差異、相對滲透率、毛管力等因素的影響，各小層表現出的滲流能力或滲流阻力呈動態變化趨勢，所以單純采用滲透率作為層系劃分效果的評價標準，尤其是在面積相對較小的井組范圍內評價層間開發矛盾，勢必指標選取過于簡單。

油田的開發層間差異表現為動態變化特征，不同開發階段層間差異不同，層系的評價應該除使用常規的靜態層間滲透率差異外，還應考慮水驅過程中以注水井為中心，水驅前緣逐步向外推進引起的包含時間概念的四維矛盾變化而引起矛盾參數的動態變化，層間矛盾的評價應該是多參數動態綜合評價，由此確定界限含油飽和度區覆蓋率、界限含油飽和度區疊合度、飽和度差異、含油率差異和滲流能力差異五個參數綜合在一起作為層間矛盾評價的因素，具體表示如下：

（1）界限含油飽和度區覆蓋率（AR）：在指定大于某界限含油飽和度下的小層含油面積占井控面積的比例，隨著開發的逐步深化覆蓋率逐步降低，指定界限含油飽和度區覆蓋率的高低代表了層系開發目前所處的階段，具體覆蓋率表述為：

（2）界限含油飽和度區疊合度（OD）：受層間非均質性影響，縱向上各小層水驅前緣層間界限含油飽和度區疊合度均發生變化，疊合度的降低意味著層間剩余油的上下差異的增大，具體表述為：

（3）飽和度差異（SD）：平面各位置在縱向上小層間剩余油飽和度的差異，具體表述為：

（4）含油率差異（ORD）：受飽和度、相對滲透率影響形成的平面各位置在縱向上含水率的差異，考慮到井組最大含水率可能為0，所以用含油率來表征，即fo=1-fw，具體表述為：

（5）滲流能力差異（KD）：受飽和度、相對滲透率、滲透率綜合作用形成的平面各位置在縱向上滲流速度的差異，即滲流能力的差異，具體表述為：

1.3 多參數平均隸屬度法評價原理

基于隸屬度的模糊綜合評價法在人工智能領域，特別是在模糊邏輯領域有相當廣泛的應用，是現代人工智能分析的重要方法。該方法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，具有結果清晰系統性強的特點，能較好地解決模糊的難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

1.3.1 論域構建 因素集是對評判對象有主要影響的各種參數組合，設由n 個參數構成因素集，通常用U表示，ui代表各個影響因素，而這些參數通常具有不同程度的模糊性：

1.3.2 評語集建立 評語集是評判者對評判主體提出的多種評判結果的組合，通常用V 表示，V 矩陣包含各種可能的評判結果vj，通過模糊綜合評判方法計算，得出評語集中的最佳評判結果：

1.3.3 隸屬度模糊評判 因素集U 與評語集V 之間的模糊關系，通常用m×n 階模糊關系單因素評價矩陣R，各元素含義為第i 因素對于第j 評語的隸屬度，矩陣R={ri1，ri2，…，rim}為第i 個評價因素ui的單因素評判，是評語集V 上的一個模糊子集：

一般選用升降半梯型來確定隸屬度函數，越大越優采用升半梯形分布，越小越優采用降半梯形分布：

升半梯形：

降半梯形：

其中：rij-第i 因素對于第j 個評語的隸屬度，且0≤rij≤1；b-第i 個因素指標的最大值；a-第i 個因素指標的最小值。

1.3.4 權重集 權重集通常用A 表示。權重集A 是因素集U 的模糊子集，ai代表各個參數所對應的權重，反映了各因素的相對重要性程度，同時各參數權重必須滿足下式：

權重向量A 與模糊矩陣R 的合成便是綜合隸屬度B：

其中：B-綜合評判結果；A-權重系數；R-單因素評價矩陣；0-模糊運算符。

1.3.5 平均隸屬度準則 平均隸屬度準則以模糊數學中的隸屬度平均值所對應的指標為準，確定評價對象的等級，若bave=ave（b1，b2，…，bm），此時查找其所對應的等級矩陣V，當V 與vj最為接近時，則評價對象的等級j 即為評價模型等級。平均隸屬度較最大隸屬度法，降低了異常樣本點對于最終評價結果的影響，考慮到層間矛盾整體受極值影響較小，層系綜合評價使用平均隸屬度方法進行等級評價。

1.4 評價等級參數界限建立

對于層系評價的評語集，依據開采階段現狀，設置評語集V=（優、良、中、差、極差）5 類等級，其中：“優”代表目前層系劃分現狀很好；“良”表示目前層系劃分現狀較好不必進行調整；“中”表示目前層系的劃分尚可，可重劃也可不劃；“差”表示目前層系建議調整；“極差”表示層系必須立刻進行劃分重組。

根據各參數的物理意義，確定各參數各等級下的界限值，結果見表1，由此建立了多參數層系快速智能化動態評價指標界限體系。

表1 參數評價指標界限體系表

2 多參數層系智能化評價技術現場應用

2.1 G83 區塊概況

長慶油田G83 區塊位于陜北斜坡中段西部，為一平緩的西傾單斜背景上發育的多組軸向近東西向的鼻狀隆起構造。主力含油層系C4+52、C61層為湖泊三角洲前緣亞相沉積，砂體走向近于北東～南西向，呈條帶狀展布；巖性以極細-細砂級長石砂巖和巖屑長石砂巖為主，成分及結構成熟度低，巖性致密。

油藏中深2 445 m，平均有效厚度12.5 m，有效滲透率0.39 mD，原始地層壓力17.0 MPa，屬于典型的超低滲儲層。自2009 年正式投入開發以來，共投入油水井總數近千口，采用一套井網動用兩套層系方式一次性合采開發模式。目前經過10 多年的注水開發，層間矛盾日益突出，由于區塊含油面積大，油水井數多，各井組間矛盾差別大，而目前常用的油藏工程分析方法工作量大，人為性強，由此采用建立的多參數快速智能的層系評價方法進行層系矛盾分析。

2.2 油田區塊級層系智能化評價動態變化特征及趨勢預測

針對G83 區塊層面進行整體層系評價，評價結果見圖1。在圖1 中C4+5、C6 合注合采作為一套層系開發時的層系動態評價曲線；C4+5 單獨作為一套層系開發時的動態評價曲線；C6 單獨作為一套層系開發時的動態評價曲線，可以看出：

圖1 區塊層面層系組合評價分析

（1）目前，G83 區塊合采開發從原始到目前，層系綜合評價等級從“中”降為“差”，層系等級評價值從0.411 降低到0.382，數值上降低7%，可見C4+5、C6 組合作為一套層系進行開發，從初期到目前層系綜合評價等級降低一級，但數值降低幅度不大。

（2）將C4+5 單獨作為一套層系進行開發，評價等級始終為“中”，等級評價值從合采下的0.411 提高到0.466，提高幅度13.4%，等級上沒有任何改變，可見將C4+5 作為一套層系進行開發和C4+5、C6 合采從縱向差異上分析，優勢提升13.4%。

（3）將C6 作為一套層系進行開發，評價等級始終為“中”，等級評價值從合采下的0.411 提升到0.498，提升幅度21.1%，可見C6 作為一套層系進行開發體現出一定的優勢。

綜合分析在區塊層面上，C4+5、C6 分別作為兩套層系進行開發對于緩解層間矛盾技術上體現出一定的優勢，可以考慮分層系開發。

2.3 井組級層系智能化評價動態變化及趨勢預測

由于G83 區塊含油面積大，區塊級別的評價勢必一定程度上消弱了縱向層間矛盾差異，為此利用建立的層系動態評價方法，以油藏地質模型和不同時間點剩余油飽和度為基礎，計算井組級各時間點的層系評價值，以開發末期井組層系評價值的變化率，即：β=為界限，進行分范圍評價。

2.3.1 井組級層系評價值動態變化規律 分別以β＞0.3、0.2＜β≤0.3 和0.1＜β≤0.2 分類給出各區間的井組評價結果見圖2～圖4。圖2 顯示井組級層系評價值變化率β＞0.3 有3 個注水井組，說明此3 個井組在注水過程中引起的層間矛盾變化較大，降低幅度超過30%，下步可以作為首批井組層間矛盾調整對象；圖3 顯示層系評價值變化率0.2＜β≤0.3 有32 個注水井組，此類井組從開發初期到目前評價值變化幅度超過20%，井組間的層間矛盾可根據實際情況進行選擇性的、有計劃的井組層間矛盾調整；圖4 顯示層系評價值變化率0.1＜β≤0.2 有50 個注水井組，此類井組相對變化幅度較小，可以暫緩井組層間調整；由此可見井組級層系評價值動態變化分析可以快速有效地確定各井組受注水影響層間矛盾的大小和措施的實施推薦。

圖2 β＞0.3 的井組層系評價值變化特征

圖3 0.2＜β≤0.3 的井組層系評價值變化特征

圖4 0.1＜β≤0.2 的井組層系評價值變化特征

2.3.2 井組級層系評價值動態變化預測 通過趨勢線預測未來幾年井組層系矛盾變化趨勢，本次研究僅對β＞0.3 的3 個井組層系評價值利用冪函數進行擬合，預測5 年后、10 年后的層系評價值，具體見表2。可以看出：5 年后L46-14 層系評價值降低幅度最大為7.6%，10 年后L66-6 層系評價值降低幅度最大為13.6%。

表2 β＞0.3 的井組層系評價值預測表

2.4 目前井組級層系開發效果智能化評價等級

2.4.1 單注C4+5 層井組級層系等級評價 統計分析G83 區塊單注C4+5 層位注水井共計73口，層系等級評價值為0.395～0.755，層系評價等級以“中”和“良”為主，層系等級評價結果見圖5，根據圖5 的特征可以總結如下：

圖5 單注C4+5 注水井組層系等級評價值

（1）井組層系評價等級為差共計1 個井組，等級評價值0.395，接近“中”界限；

（2）等級評價為“中”的共計52 個井組；

（3）等級評價為“良”的共計20 個井組。

總體可見C4+5 單獨作為一套開發層系時，層系等級評價在“中”以上，層系劃分目前狀況達到中等以上，

整個C4+5 層位內部縱向非均質性程度較低。

2.4.2 單注C6 層井組級層系等級評價 統計分析G83 區塊單注C6 層位注水井共計13口，層系等級評價值為0.431～0.706，層系評價等級以中等為主，層系等級評價結果見圖6，根據圖6 的特征可以總結如下：

圖6 單注C6 注水井組層系等級評價值

（1）等級評價為“中”的共計11 個井組；

（2）等級評價為“良”的共計2 個井組。

可見C6 層單獨作為一套開發層系時，層系等級評價在“中”以上，層系劃分目前狀況達到中等以上。

2.4.3 合注C4+5、C6 層井組級層系等級評價 G83區塊合注C4+5、C6 層注水井共計43口，層系等級評價值為0.397～0.593，層系評價等級均為“中”，若分兩套層系C4+5 和C6 分別進行開發，評價結果見圖7，根據圖7 可以進行對比，對比結果如下：

圖7 合注C4+5、C6 注水井組層系等級評價值

（1）C4+5 層系評價等級依舊為“中”的共計28 個井組，占65%，等級評價值從0.463 提高至0.532，提升幅度15%；

（2）C4+5 層系評價等級由“中”提高至“良”的共計15 個井組，占35%，等級評價值從0.52 提高至0.652，提升幅度25%；

（3）C6 層系評價等級依舊為“中”的共計35 個井組，占81%，等級評價值從0.471 提高至0.525，提升幅度11%；

（4）C6 層系評價等級由“中”提高至“良”的共計8個井組，占19%，等級評價值從0.535 提高至0.634，提升幅度19%。

可見C4+5、C6 合采一套開發層系時，層系等級評價為“中”，當作為兩套開發層系單獨進行開發時，部分井組評價值從“中”提升至“良”，其中C6 提升程度最大，提升幅度達20%以上。

綜合比較現合注井組，通過分層系注水，多數注水井組可以將層系組合評價等級從“差”提升至“中”，提升幅度20%左右。

3 結論

通過開展井組級多參數層系快速智能化動態評價方法研究并在G83 區塊的實際應用，得到如下結論：

（1）優選確定界限含油飽和度區覆蓋率、界限含油飽和度區疊合度、飽和度差異、含油率差異和滲流能力差異五個參數綜合一起作為層系層間矛盾評價的因素；

（2）建立了基于平均隸屬度的井組級多參數層系快速智能化動態評價方法，該方法可以計算評價值大小，確定評價等級以及快速有效分析各井組的層間矛盾及其后期的發展趨勢；

（3）方法應用于G83 區塊，分別從區塊級別、井組級別對各井組評價值進行量化計算，實現了層系評價的高效快速、智能量化，為現場研究人員及時把握各井組層系調整時機提供了智能便捷的技術支持。