基于最大熵原理的油气层流体性质识别.pdf

2 0 o 9年 8月 第 2 8卷第 4期 大庆石油地质与开发 Pe t ml e u m Ce o l o g y a n d Oi l f i e l d De V e 1 o pme n t i n Da q i ng Au g ．，2 0 o 9 V0 1 ． 2 8 Nn 4 DoI l 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N． 1 0 0 0 3 7 5 4 ． 2 0 0 9 ． 0 4 ． 0 0 8 基于最大熵原理 的油气层流体性质识别 范翔宇 ， 黄 毅 马天寿 刘跃辉 王 磊 熊伶俐 1 ．重庆大学矿业工程博士后流动站 ， 重庆4 o o 0 3 O；2 ．西南石油大学 油气藏地质开发工程国家重点实验 室，四川 成都6 1 O 5 o o ； 3 ．西南石油大学石油工程学 院，四川 成都6 1 o 5 o o ；4 ．青海油田采 油二厂 ，青海 茫崖8 1 6 4 0 0 摘要针对 目前各种地层流体性质识别方法的模糊性和不确定性，基于信息论中 J a y n e s 最大信息熵原理提出了 一 种地层流体性质定量评价模型。利用现场试油资料，将油气层、水层以及干层的各种测井曲线特征值作为地 层流体性质判别核心。同时，为避免人为因素干扰，拟选用 s h a n n o n熵的方法并利用数据自身信息客观地确定熵 权 ，将待判的各种测井评价参数代入熵最大原理的定量评价模型，计算最小的熵值进而识别流体。该方法既能 识别地层流体性质，还可以识别岩性，具有较高的识别精度。 关键词判别核心；关联系数 ；熵；流体性质；识别方法 中图分类号T E 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 O 0 3 7 5 4 2 0 0 9 0 4 _ 0 3 1 _ 4 I DENTI FI CATI oN FoR HYDRoCARBoN RESERVoI R FLUI D PRoPERTY BASED oN THEoRY oF M AXI M UM ENTRoPY FAN Xi a n g y u ， HUANG Yi ， W ANG T i a n s h o u ， U U Yu e h u i ， WANG L e i ，XI ONG Li n g l i 1 ． 尸 咖 胧础mZ 西 船 ， o ， rg 螂 ， o ， 4 0 o O 3 O ， 口 ； 2． s t me y b o r mo r y oi l帆 a G∞ Re s e n 0 Ge o l o g y旺 孔 d D l o p 础 m En g e r i 鸭 ，s o m e s t Pe t r o m 2 梆 ， e ， 6 1 0 5 0 0 ， ；3 ． 厂 D Z e 肌 咖e ，5 0 r 0 Z e 啪 ， e ， 6 1 O 5 0 0， n o；4 ． Ⅳ0 ． 2 0以p r 0 d c o n C 0 口 砂 ， Q ， D 扭 f d ， ， 8 1 6 4 0 0 ， m Ab s t r a c t Ai mi n g a t a mb i g u i t y a n d u n c e n a i n t y 0 f c u r r e n t n u i d p mp e r t y i d e n t i 6 c a t i o n me t h o d s f 0 r v a r i o u s f 0 r n 1 a - t i o n s，f 0 Hn a t i 0 n nu i d p mp e r t y q u a n t i t a t i V e e V a l u a t i o n m0 d e l b a s e d o n ma X i mu m e n t r 0 p y t l 1 e o r y i s p r 0 p 0 s e d a c c 0 r d i n g t o J a y n e s ma x i mu m me s s a g e e n t mp y t h e o r y ． B a s e d o n n e l d o i l t e s t i n g d a t a，s e v e ml w e l l l o g g i n g f e a t u r e v a l u e s o f h y d mc a r b 0 n l a y e r ，wa t e r l a y e r a n d d r y l a y e r a r e c o n s i d e r e d a s d e t e ml i n a t i 0 n c 0 r e f 0 r f 0 瑚 a t i o n n ui d pr 0 p e r t y ． Me a n w h i l e ， e n t mp y w e i g h t i s d e t e n n i n e d 0 b j e c t i V e l y b y c h 0 o s i n g S h a n n o n e n t mp y me t h 0 d b y u s i n g d a t a i n o r d e r t o a V 0 i d a r t i c i a l i n t e I f e I le n c e． Ea c h we l I l o g g i n g p a r a me t e r t o b e d e t e 砷 i n e d i s s u b s t i t u t e d i n t h e q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n m 0 d e l 0 f m a 【 i m u m e n t mp y t h e o r y t o c a l c u l a t e m i n i m u m e n t r o p y v a l u e s o a s t 0 i d e n t i f y n u i d ． 1 i s me t h 0 d c a n i d e n ti f y b o t h f 0 H n a t i o n n u id p I l0 p e r t y a n d l i th 0 l 0 g y w it h h i g h id e n t i c a t i o n a c e u r a c y ． Ke y w0r d s d e t e 啪 i n a t i o n c 0 r e； a s s 0 c i a t i 0 n i n d e x； e n t r 0 p y； nu i d p r 0 p e r t y； i d e n t i nc a t i o n me t h o d 收稿 日期 2 0 0 8 _ o 1 2 3 基金项 目西南石油大学青年培养基金项目 Q N J J 2 0 o 8 0 0 7 资助。 作者简介范翔宇，男，1 9 7 5年生，博士，从事测井新技术在石油地质和石油工程中的应用研究。 E ma i l s wp i f x y ． s t u d e n t s i n a ． c o m 3 2 大庆石油地质与开发 2 0 o 9年 地层流体性质识别 的精度是测井解释的核心问 题 。现今多数流体性质的识别都依靠经验或者少量 的测井新技术 ，准确度不高，而且多为定性或半定 量判别。例如常用 的正态概率分布法、灰色聚类 法 、曲线重叠法 以及交会图版法等，虽然各有其优 点 ，但也存在着各种缺陷。由于油气层 、水层的判 别等都是对流体性质的一种描述 ，因此利用试油资 料准确提炼流体性质 的判别标准尤为重要。此外 ， 通过测井资料进行流体性质的评价或岩性的识别受 控于众多测井评价指标 ，而最终流体属性影响程度 决定这些指标在流体性 质评价 中的权重系数 引。 常用的定权方法 专家打分法或 A P H法 也在一 定程度上包含着人的主观偏 向性。如果利用信息熵 自动赋予权重 ，利用最大信息熵模型则能较准确地 识别出流体性质 。 1熵识别模型的建立 1 ． 1熵判别标准 从统计学的观点看， 地层某一深度点多次测量 的结果应满足正态分布规律 ， 但事实上这是无法实 现的 ， 因此只能对同一性质的一段地层进行测量， 其 结果显然也应满足正态分布规律 引。以塔里木油 田英买地区声波测井为例， 将该地 区所有试油层位 的声波测井特征值做直方 图统计 ， 根据 正态分布规 律可以得出该地区声波测井判别特征值【 J 。同理 ， 将 自然伽马、 密度 、 中子 、 深电阻率 以及深浅 电阻率 比值做直方图统计 ， 确定出相应的测井 曲线特征值。 1 - 2熵权的确立 ． 在该模型权重系数的确定过程中，设有项评价 指标的个判别样本组成参考数列。为了避免人为主 观因素 的干扰 ，拟 选用 香农 s h a n n o n 熵 的方 法，从实测数据入手，充分利用数据自 身信息客观 地确定熵权 ，具体步骤如下 根据不同的属性将评价指标分为递增 型 随 评价指 标值 的递增 ，样本 属 性 趋优 和递 减 型 随评价指标的递减，样本属性趋优 ，在计算各 指标权重之前 ，先对每个样本进行规一化处理 篙 ㈩ 从而得到新评价样本矩阵为 2 再设第 个评价指标下第 个待评价点评价指标值 比重为 ／ ∑ 3 则第 个评价指标的 S h a J l n o n熵为 1 m e 一 ∑ l n 4 。 m n 第 个评价指标的权重为 1 一 e ／ ∑ 1 一 e i 5 l 且满足 ∑ 1 6 1 1 ． 3熵模型的建立 根据所确定的 m项评价指标 的 n个 判别样本 组成参考数列 { I 1 ， 2 ， ⋯ ， m； 1 ， 2 ， ⋯ ， n ； 7 流体性质评价标准组成的比较数列为 { l 1 ， 2 ， ⋯， ￡ ； 1 ， 2 ， ⋯， ， 孔 } 8 则 j 与 第 个指标的差异用灰色关联系数 ， 表示为 ， m m脚 埘m B x m △ p △ 9 △ h p △ h mi n mi 式中 △ 为两极最小差 ，表示在各曲 线找出的最小差 的基础上 ，再按 1 ，2，⋯， m aX m aX 找出所有曲线 中最小差的最小值。 △ 为 两极最大差 ，其意义与两极最小差类似。p为分辨 系数 ，一般取 0 ． 5时具有较高的分辨率。由于关联 系数过多 ，信息分散，不便于 比较，将其集中在一 起得到关联度 ，且通常由指标权重来反映各指标的 重要程 度 m “ ] 。设 各指标 的权 重分别 为 。 ， ， ⋯ ， 且满足条件 ∑ 1 it 1 O 则关联度计算公式为 ， ∑ ， 1 1 J1 将样本J 与第 级标准间的相似程度用以样本 与各标准的差异度 u 琦 为权的加权广义距离来表示 ， 即有 2 2 ， 1 ， 2 ， 1 ， 2 第2 8卷第4期 范翔字等 基于最大熵原理的油气层流体性质识别 3 3 ， 【 ∑ ， ％ ] 1 2 由于测井特征值 的统计波动性 以及流体 性质 分级 自身具有模糊性 ，因而 的确定具有不 确定 性，为了描述这种不确定性 ，可将 理解为第 ．『 个 样本属于第 级流体的 “ 概率”，其不确定性可用 信息熵表示为 t 一 ∑u 可 l n u 衄 1 3 I ∑n 1 ， u 崎 ≥o l ， 2 ， ⋯， n 1 4 I 流体性质评价的 目的，就是要按照地层流体 标准确定一个合理的流体 因子分级 即 “ 概率” 分配 ，一方面使全体样本与各级 流体判别标准之 间的广义距离之和最小，即有 m i n d ∑∑ ∑ ， 1 5 另一方面，应消除由于随机性和不确定性的 影响。根据 J a y n e s最大熵原理 ，在一定 的约束 条 件下 ，使系统信息熵最大的分布就是使离差最小的 “ 最佳”分布 ，即有 m a x Ⅳ ∑ 一∑ 坷 l n “ 可 1 6 因此 ，求最优分级即是一个双 目标优化问题 ，构造 复合 目标函数为 m in { u 坷 ， 古 u n “ j ， l 1 ， 1 】 1 1 7 其 中，正参数 用来对 两个 目标进 行平衡 ， 可根据实际问题 自身预先 给定 。根据式 1 7 构 造拉格郎 日函数为 L ， [ ∑ ， 】 古 M 坷 l 卜A 一 1 式 1 8 中为拉格郎日乘数。分别对变量、求偏 导数 ，并令其为 0有 一 10 1 9 茎 吉 n 一 A 。 20 由式 2 0 得 H 坷e x p 一 ∑ B A一1 2 1 代入式 1 9 得 e x p [ 一 1 一 ] 1 ／ [ ∑e x p ～ ∑ 】 2 2 代回式 2 1 得 “ e x p 一 e x p 一 日 ∑ ‘ I l ， 1 2 3 式 2 3 即为基 于熵极大原理 的流体性质定量评价 模型 ， 待评价样本应归入 “ 为最小所对应的级别。 2应用实例 以塔里木油 田英买力 一1 Y ML 1井 井 1 0个 层为例 ，采用图 1计算流程，对 中子孔隙度 曲线 、 自然伽马、补偿密度 、声波时差 、孔隙度资料 、深 侧向电阻率 、深浅侧向电阻率比等 7个评价指标进 行了地层流体属性识别。 样本空间与属性分类 标 准 矩 阵 的 确 定 流 体 属 性 识 别 及 结 论 熵 权 的 确 定 属性 测量 精度计 算 图 l 最 大 熵 原 理 计 算 流 程 Fi g．1 C al cu1 a ti O n f 1 ow 0 f ma xi Ⅲu m e nt rO py t h eO ry 2 ． 1样本空间矩阵与属性分类标准矩阵的确定 以英买力 一l井 l O个层位 的 7个测井特征值 建立样本空 间矩阵 ，对数据进行归一化处 理 表 1 ，并对其 进行模糊聚类 分为干层 、水层 、油 层 ，除不符合试 油结果的层位 ，符合试油结果层 位的7个测井特征值的平均值即为属性分类标准的 标准值 表 2 。 2 ． 2熵权的确定 利用公式 1 ～ 6 计算 出评价指标 的熵权 系 数分 别 为 自然 伽 马 占 0 ． 1 3 1 1 4 2 ， 声 波 时 差 占 0 ． 1 0 0 7 2 4 ， 深探测 电阻率 占0 ． 2 9 5 5 3 7 ， 补偿 中子占 0 ． 0 7 8 7 1 O ， 补偿密度 占0 ． 0 7 2 1 8 4， 测井计算孔隙度 占0 ． 1 4 9 9 1 2 ， 深浅侧 向电阻率 比值 占0 ． 1 7 l 7 9 2 。 2 ． 3流体属性识别结果 利用公式 7 ～ 2 3 计算出各样本的属性 差异度 ，根据差异度的大小对地层流体属性 进行判断，判断结果和试油结果见表 3 。表 中层位 Y ML 1 4 的判别结果与试油结果不吻合，主要 原 因是该层针对油水属性判断的差异度比较接近，给 流体识别带来了难度。但总体看，基于熵最大原理 3 4 大庆石油地质与开发 2 0 o 9年 的流体识别方法的结果和试油结果的基本吻合度还 是达到了 9 0 ％。 表 l 各评价指标参数 归一化数据 T a b l e 1 P a r a me t e r s o f e v a l u a t i o n i n d e x e s n o 珊 a l i z e d d a t a 表2 属性分类标准值 归一化数据 T a b I e 2 S t a n d a r d v a I u e o f p r 0 p e r t y c l a s s i f 直 c a t i 0 n n o 珊 a l i z e d d a t a 表 3 差异度识别和试油结果 T a b l e 3 I d e n t i f i c a t i O n O f d i f e r e n t i a l d q ．e e a n d r e s u I t s 0 f 0 n t e s t i n g 3 结 论 1 基于熵最大原理建立的流体识别模 型，能 将油气层 、水层 以及干层 的各种测井 曲线特征值作 为地层流体性质判别核心信息，找出不同流体间的 属性差异度， 并很好地识别待判流体的性质。 2 基于最大熵 的流体性质识别方法 ，避免了 利用单一信息判断流体性质带来的误差较大的缺点 ， 能充分利用测井、录井、试油等资料并综合多参数 所含的地质信息 ，从实际指标分析人手 ，客观地 确定熵权、识别流体性质，具有较高的识别精度。 3 为了提高识别精度，需要选择高质量的测 井 、试油资料。特别是 测井资料 ，必须经过深度校 正 、泥浆侵入校正和标 准化后方能使用该流体识别 模型，否则很难达到预期效果。 参考文献 [ 1 ]范翔宇，夏宏泉 ，钟 敬敏 ，等 ． c MR测井资 料的解释 方法及应 用 [ J ]．大庆石油地质与开发 ，2 o o 4 ，2 3 4 7 3 _ 7 5 ． [ 2 ] 宋小川． 灰色油藏评价熵模型及其应用 [ J ]． 石油与钻掘工程 ， 2 0 0 7 ，l 9 8 4 5 _ 4 7 ． [ 3 ] 范翔宇． 基于对应分析理论的油气储层流体识别新方法 [ J ]． 钻采工艺 ，2 0 o 9，3 1 1 3 9 4 2 ． [ 4]K霍曼 ．多孔饱 和矩形 管 中粘性 随温度变化对熵产 、热和 流体 流动 的影响 [ J ]．应用数学 和力学 ，2 o o 7 ，2 8 1 6 1 ． 6 9 ． [ 5]周 长发 ．科学 与工 程数值 算 法 [ M] ．北 京 清 华大 学 出版社 ， 2 o 0 2． [ 6 ]陈传淡 ． 守恒流体力学方程组的熵不等式 [ J ]． 厦门大学学报 自然科学版 ，2 o 5，4 4 2 1 6 4 - 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