深层缝洞型油藏井间连通路径智能预测技术

2023-11-04康志江张冬梅张振坤王睿奇姜文斌刘坤岩

石油与天然气地质 2023年5期

康志江，张冬梅，张振坤，王睿奇，姜文斌，刘坤岩

［1. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 102206；2. 中国地质大学（武汉）计算机学院，湖北武汉 430074］

向地球深部进军、拓展深层油气资源，对筑牢中国能源安全的资源基础具有重要的现实与战略意义。据评价，全国深层超深层油气资源达671×108t 油当量，占资源总量的34 %，是未来油气勘探开发的现实领域。经多年勘探开发实践，中国深层超深层油气勘探开发取得了重要进展，为中国石油工业的发展拓宽了新领域。深层缝洞型碳酸盐岩油藏是多期地质构造和岩溶作用改造形成的复杂油藏，储集体结构复杂、非均质性强［1］。储-渗空间类型包括大型溶洞、溶孔、断裂、裂缝等，其中大型溶洞是重要的储集体，不同尺度裂缝导流能力强、压力传导快，是流体流动的重要通道。注水开发中普遍存在注入水沿主通道单向突进、部分井水窜严重、水驱动用储量较低等问题，直接影响了水驱开发效果。正确认识井间连通程度、水窜路径对控水稳油、优化生产措施、提高采收率意义重大。

一般示踪剂测试、干扰试井等测试技术［2-3］能较好预测井间连通程度，但缝洞型油藏井间缝洞体结构与物性差异大，导致测试结果不全面，示踪剂回收率一般为30 % ～ 70 %，部分邻井存在关井或不出水的情况，无法得到准确的示踪剂含量。近年来国内外众多学者也针对井间连通进行了系统预测研究，将油藏视为多井注采系统，引入多元线性回归模型［4］、电容模型［5］、系统分析模型［6］等来预测井间连通程度［7］，但模型过于简化，仅适于常规碎屑岩连续介质油藏，基于溶洞、溶孔、不同尺度裂缝的复合介质油藏不适用。

缝洞型油藏不同的岩溶系统连通特征差异较大，风化壳型岩溶沿暗河横向连通为主，断控型岩溶沿断裂带纵向连通为主。井间的连通路径与洞孔缝的空间结构直接相关［8］，前人基于相干、曲率、振幅等多地震属性认识静态连通关系［9-13］，但碳酸盐岩缝洞型油藏储层埋深6 000 ～ 8 000 m，地震信号能量弱、分辨率低，受地震高精度成像精度等因素制约，影响连通路径识别的精度［14-15］。有效融合地震多属性、示踪剂和地质数据等多信息预测缝洞体空间连通路径是最有效方法。

基于人工智能技术系统建立井间“连不连”“连通程度如何”与“怎么连”的三步法井间连通路径预测技术。①基于压力趋势、见水时间等邻井响应参数，变异系数对比法判断油井与油井之间连通性；②基于注水前后邻近生产井指标变化幅度，多重分形谱法定量评价井间连通程度；③基于深度残差网络的地震多属性非线性融合技术刻画缝洞体空间结构，利用改进的强化学习和多目标算法自动搜索井间三维缝洞体连通路径。以塔里木盆地塔河油田缝洞单元为例，开展风化壳型、断控型和古暗河型3 类岩溶系统的井间连通程度评价、连通路径自动搜索研究，为空间结构井网储量控制、水驱-气驱效果评价提供了分析依据，对深层缝洞型油藏提高采收率具有较好的指导意义［16-17］。

1 缝洞型油藏连通路径智能预测方法

基于不同岩溶系统缝洞结构，结合生产动态数据自动提取整个缝洞单元压力下降趋势、生产井见水时间先后关系、各类激励下相邻井响应情况等多种特征，从压力与含水两个角度认识井间连通关系，判断井间是否连通。分析注水引起的井间能量变化情况，考虑到注采井间渗透率大小和注水前后生产指标变化幅度成正比，用多重分形谱刻画邻近生产井指标变化程度。构建静态搜索空间，融合地震多属性数据刻画缝洞体空间结构，基于改进强化学习自动搜索与静动态特征吻合的井间三维连通路径。井间连通路径智能预测主要包括以下几个关键技术。

1.1 基于生产动态的井间连通性自动判断

缝洞型油藏生产过程是复杂的非线性动力系统，改变相互连通生产井的工作制度，井间压力场、饱和度场、速度场均会重新分布，受影响井的井口压力与产量指标也会有相应的变化，因此定量分析邻近生产井生产指标变化，能有效判断井间的连通性。常用的井间动态连通性判断主要包括压力下降趋势、干扰试井等分析方法。由于不同岩溶系统复杂的缝洞结构使得油藏动态响应特征多样，频繁工作制度调整导致井间相互干扰，人工判别的主观性强、效率低、可靠性差。

本研究中将各井注采数据归一为时序数据，融合多方法设计井间连通性自动判断方法。其中压力趋势下降法基于流压数据，采用分段线性拟合算法对数据进行趋势分析，邻井趋势线下降一致判断为井间连通。注采响应综合法基于注水井的注水量，邻井产油、产水与压力数据，考虑注水后邻井滞后反应设置滑动时间窗口，提取生产指标显著波动变化特征判断井间是否连通。新开井类干扰法与干扰试井类似，采用最小二乘法根据开井后邻井产油、产水与压力变化趋势判断新井投产对邻井的影响程度。生产特征相似性法基于经验模态分解和动态时间规整算法，根据邻井间的产液量、压力、动液面生产动态相似性判断井间是否连通。见水时间一致性法基于见水时间及含水率上升速度判别井间连通关系。研究采用变异系数法设置各评价方法权重，以综合认识流体流向，自动判断井间是否连通，具体技术框架如图1所示。

图1 连通性自动判断技术流程图Fig.1 Schematic diagram showing the connectivity judgment procedure

1.2 注采井间连通程度定量评价

由注水井、周围生产井及连通关系组合而成的复杂注采系统，注入水注入油层后，原油或地层水通过连通好的储层向生产井驱替，因此持续注水后相邻连通生产井会出现压力增大、动液面上升、产液量及含水率变化等特征，间接反映层内连通关系，变化幅度越大连通性越好。由于碳酸盐岩储层溶蚀孔洞、裂缝空间分布具有自相似结构，生产数据呈非正态分布特征，井间渗透率大小和注水前后生产指标变化幅度成正比，可用多重分形谱定量描述邻近生产井指标变化程度［18］。多重分形谱f(α)定义为具有相同奇异性指数α子集的Hausdorff 维数，用配分函数χq(δ) 描述多重分形谱f(α)分布特征。

式中：N(δ)表示分形个数；Pi(δ)为第i个分形窗口的概率测度。

τ(q)是质量指数，定义如下：

参数q和τ(q)经过勒让德变换计算得到。输入生产数据计算多重分形谱宽以反映概率测度分布的非均匀程度。当注水井的邻井生产曲线变化剧烈、响应明显时，多重分形谱的谱宽较大；当邻井生产曲线变化平缓、响应不明显时，多重分形谱的谱宽较小。研究通过分析井点间的压力、产量的变化，用多重分形细致刻画持续注水后邻近生产井指标变化程度，以定量描述井间流动能力，特征提取过程见图2。进一步基于滑动窗口提取最大波动等特征采用模糊综合评价方法建立定量评价模型，根据计算得到的综合连通系数相对大小量化表征连通程度。

图2 基于多重分形的波动程度提取过程Fig.2 The extraction of fluctuation degree based on multifractal

1.3 基于地震多属性融合的三维连通路径强化学习搜索

针对超深层碳酸盐岩不同岩溶缝洞系统，预测井间三维连通路径空间展布特征，直观表征缝-洞、洞-洞、井-洞的空间配置关系是连通评价的基础。连通路径预测主要包括：基于深度学习地震多属性非线性融合、基于强化学习的最优连通路径搜索和井间多连通路径智能多目标优化3项技术。

1.3.1 基于深度残差网络的地震多属性非线性融合

地震多属性数据描述了不同尺度储集空间分布，如相干技术刻画大尺度裂缝、均方根振幅（RMS）技术描述溶洞，曲率检测中小尺度裂缝与微缝隙。为增强同相轴的横向连续性、强化边界特征，需进一步融合地震多属性。传统模型驱动的多信息融合技术存在构建先验项约束不全面、正则化参数敏感等问题，随着深度学习技术的发展，数据驱动融合非线性建模能力更强［19］。

研究基于相干、RMS等地震属性，基于有监督的深度残差网络构建空间特征提取模块获取孔、缝和洞的局部结构特征，以精细刻画储层孔、缝和洞的展布规律，网络结构如图3 所示。地震属性融合网络构建主要包括特征提取和地震属性重构两部分。特征提取网络由两个连续的卷积层组成，设计参数校正线性单元和下采样层，用步长为2的卷积核进行下采样，并拼接提取特征图。为融合特征重构地震多属性图像，研究采用反卷积对特征图进行上采样，以恢复属性切片数据的细节和精细特征，在编码器和解码器之间建立跳跃连接，各上采样后将编码器的特征映射到编码器并与相应的特征图进行拼接，恢复降采样过程丢失的细节。深度残差网络融合模块对地震多属性进行特征融合，新融合属性刻画缝洞体边界更为清晰。

图3 深度学习融合网络结构图Fig. 3 The structure diagram of deep learning fusion network

1.3.2 基于强化学习的最优连通路径搜索

碳酸盐岩油藏复合介质空间尺度差异大、不连续，各向异性，孔缝洞结构使得三维连通路径搜索环境复杂，搜索效率大幅度降低［20］。研究将井间三维连通通道搜索过程视为马尔可夫决策过程，将三维地震体中的碳酸盐岩复合介质多相流视为强化学习智能体，以多属性融合后的三维地震体作为搜索环境，采用QLearning 强化学习实现油藏注采井间三维路径的自动搜索［21］。由于缝洞型油藏流体在裂缝、溶洞流动中往往沿渗透率大的方向流动，依据流体流动规律结合启发式思想设计新的奖励函数，提高连通路径搜索效率。

1.3.3 井间三维连通路径多目标优化

深部断裂带、暗河是缝洞型油藏主要流动通道，压降梯度大、流速高，注入水往往沿着高渗透带窜进，生产指标短期变化剧烈；溶洞为主要储集空间，通过溶洞连通的路径体积较大，洞内流体容积足够平衡压力波动，短期内生产指标变化不显著。因此井间存在多条沟通能力不一的连通路径，既有沿大尺度裂缝沟通、突破时间较短的通道，又有通过溶洞弥散扩散速度较慢、流通体积较大的途径，为典型的多约束多目标优化问题［22］。井间多连通路径搜索考虑最短连通路径、最大流通体积等优化目标，具体设计如下。

1）基于最短路径长度的优化目标f1

路径长度表示注采井间途经节点连通通道距离总和。定义如下：

式中：len表示路径节点数量；xi，yi，zi为路径途经状态位节点的坐标。

2）基于最大流通体积的优化目标f2

溶洞占比表示连通通道中储层为溶洞的节点占路径总节点数的比例。定义如下：

式中：C为溶洞节点的数量；si为路径中属于溶洞的状态位。

如何自动优化地震多属性描述的不同储集体阈值等参数、反映实际地质构造特征是研究的关键。研究构建基于Q-Learning 的NSGA Ⅲ井间三维连通路径多目标搜索算法，自动搜索路径、识别路径途经储集体类型，刻画连通通道的形态及三维空间展布，算法流程如图4所示。

图4 Q-Learning井间三维连通路径多目标搜索流程图Fig.4 The multi-objective search process of Q-Learning 3D connected path between wells

将井间三维连通通道搜索过程视为马尔可夫决策过程（MDP）S，A，P，r，γ。其中：S表示状态集合；A表示动作；P=P(s'|s，a)，是状态转移函数，表示在状态s下执行动作a后到达状态s'的概率；r=r(s)，是奖励函数，表示转移到状态s时所能获得的奖励期望；γ∈(0，1)，是远期收益的折扣因子。策略选择函数可表示为表示状态为s时采取动作a的概率。Q表用于存储状态s下执行动作a时累计预计的奖励Q(s，a)。

2 不同岩溶背景井间连通路径预测

受古地貌、古水系和深大断裂作用，碳酸盐岩缝洞型油藏形成具有不同地貌分布特征的岩溶系统，主要包括剥蚀作用形成的风化壳岩溶、断裂控制的断控型岩溶和古水系控制的古暗河岩溶，不同的岩溶系统呈分区、分带分布特征，对应不同的缝洞空间配置关系和连通特征［23］。采用论文提出的井间连通程度自动评价技术，系统分析不同岩溶背景典型缝洞单元的三维连通通道空间展布形态及生产动态响应特征。

2.1 风化壳岩溶连通特征

风化壳型岩溶系统主要分布在岩溶高地，在多期构造作用下由于抬升和风化剥蚀作用形成不整合面，发育在表层岩溶带风化面以下0 ～ 60 m 内［24］。受表生岩溶作用影响，储集空间以表层网状断裂及沿着裂缝局部溶蚀扩大形成的溶蚀孔洞为主，局部小型岩溶洞穴发育，密集发育的中小尺度断裂和岩溶管道是主要连通通道。

以实际缝洞单元为例，融合相干、振幅、蚂蚁体等地震多属性，采用强化学习自动搜索部分井组三维连通通道，其二维投影如图5 所示。受控于古地貌，岩溶水顺缝而流，单元裂缝溶蚀明显，形成多个局部表层岩溶缝洞系统。风化壳岩溶井间连通通道范围大，多向连通，整体沿风化壳层呈不规则分布形态。

图5 塔里木盆地奥陶系风化壳岩溶典型单元三维连通通道投影图Fig.5 Three-dimensional connected channel projection of a typical unit of the Ordovician weathering crust karst， Tarim Basin

其中TK617CH 井组自动搜索的井组三维连通通道如图6所示。图6a二维投影图显示井间通过不规则网状裂缝沟通，网状裂缝间分布溶蚀作用形成的小规模密集分布溶蚀孔洞。由图6b 可知TK609 和TK629井周较大溶洞发育，大溶洞间通过多条裂缝沟通。TK617CH 井组呈多连通通道结构，裂缝网络是连片分布的关键，纵向上多为表层洞-缝-洞连通模式。

图6 塔河油田TK617CH井组三维连通通道Fig. 6 Three-dimensional connected channel of TK617CH well group， Tahe oilfield

进一步采用多重分形、模糊综合评价等技术判断TK617CH 井组注水期间各生产井生产动态变化情况，自动计算的波动程度、最大波动和连通系数如表1 所示。TK617CH 井与TK608，TK609，TK629 等3 口井连通，判断连通程度TK609＞TK608＞TK629。TK617CH井组同期注入示踪剂，示踪剂测试的突破时间、示踪剂峰值浓度和劈分系数等参数也反映了相同的连通关系与连通程度。以TK608 生产井为例，其浓度产出曲线呈多峰形态，尖峰个数表征流体在储层沟通通道数目，反映多通道连通模式见图7。井间连通路径与生产动态响应、示踪剂测试结果吻合，共同反映风化壳多通道网状裂缝连通模式。

表1 塔河油田TK617CH井组连通特征参数Table 1 The characteristic parameter table of TK617CH well group connectivity

图7 塔河油田TK617CH-TK608井对示踪剂浓度曲线Fig.7 The tracer concentration curve of TK617CH-TK608 well pair， Tahe oilfield

2.2 断控岩溶连通特征

断控型岩溶受控于多期构造运动形成的深大断裂，经溶蚀和热液改造形成的条带状油藏［25］。断裂带内部发育张扭段、压扭段和平移段缝洞体，弱张扭段、强压扭段、弱压扭段是油气富集区。

选取典型断控岩溶缝洞单元为研究对象，对TH10348，TH10337，TH10328 和T728CH 等4 个井组采用算法自动搜索三维连通通道，通道二维投影如图8所示。连通通道整体明显呈条带状分布特征，通道上半段主要沿北北东方向TP12CX 深大断裂带沟通，下半段走向与北北西方向S86-S99深大断裂平行的次级断裂方向一致。

图8 塔河油田奥陶系断控岩溶典型单元三维连通通道投影图Fig.8 Three-dimensional connected channel projection of a typical unit of the Ordovician fault-controlled karst in Tarim Basin

TH10328-TH10323X 井间自动搜索的连通通道主体沿北北东方向展布，基本和TP12CX 大断裂带发育方向一致（图9）。TH10328 井注水后，注入流体沿断裂驱替，TH10323X 井受效后含水率快速上升，注采响应显著，动态响应特征见表2。同期投放示踪剂，10 d突破，12 d 见峰值，峰值浓度是背景值6.5 倍，为典型大尺度断裂沟通特征。

表2 塔河油田动态特征参数Table 2 The parameter table of dynamic characteristics for Tahe oilfied

图9 塔河油田TH10328-TH10323X井对三维连通通道Fig.9 Three-dimensional connected channel of TH10328-TH10323X well pair in Tahe oilfield

TH10348-TH10364CH 井间自动搜索连通通道整体呈U 型管状为缝-洞-缝连通模式（图10）。该井对位于两大断裂带交汇区，压扭应力形成断隆带，储集体分布受断裂控制，TH10364CH 井周裂缝发育，流体沿高角度裂缝垂向溶蚀在TH10348 井底形成大溶洞。水驱过程沿缝洞体先垂向后横向，通过高角度裂缝与底部大溶洞沟通，如图中红色箭头所示。TH10348 井连续注水，注水后TH10364CH 井受效，日产油、含水率缓慢上升。同期投放示踪剂，17 d突破，18 d见峰值，峰值浓度211.4 cd，峰值浓度约为背景值114.9 cd 的2倍，呈典型局部弥散扩散溶洞沟通特征。

图10 塔河油田TH10348-TH10364CH井对连通通道Fig.10 Connected channel of TH10348-TH10364CH well pair in Tahe oilfield

典型断控型缝洞单元连通通道整体受断裂及构造综合控制，与注采响应、示踪剂测试等动态特征吻合。

2.3 古暗河岩溶连通特征

古暗河型岩溶系统是长期径流溶蚀作用形成的地下河道，距风化面往下60 ～ 220 m，包括表层风化淋漓带和深层暗河溶洞带。表层风化淋漓带储层多为溶蚀孔缝、大洞穴，深层暗河溶洞带以较大规模溶洞为主，井间连通多沿主河道、支流河道展布［26-27］。

实际缝洞某单元发育有浅层和深部暗河，局部段通过高角度裂缝沟通浅层与深部暗河［28-29］，用算法自动搜索单元部分井组三维连通通道，其二维投影如图11所示。由图11 可见连通沿暗河各干流、支流呈条带状展布，通道上分布较大规模溶洞，通道整体延伸较广、连续性较强。

图11 塔里木盆地奥陶系古暗河岩溶典型单元三维连通通道投影图Fig.11 Three-dimensional connected channel projection of a typical unit of Ordovician ancient underground river karst， Tarim Basin

以单元TK603CH 井组为例，自动搜索三维连通通道如图12 所示。由于存在垮塌、充填，连通路径平面上呈现分段性特征（图12a），TK603CH 井和TK643 井位于单元浅层暗河上半段，S67 井、TK602 井和TK666井位于暗河下半段。沿浅层暗河发育大片连续溶洞，溶洞通过高角度裂缝沟通，纵向呈分层特征（图12b）。其中S67 井和TK603CH 井沿浅层暗河发育支流洞，TK602 沿浅层暗河发育厅堂洞，沿深层暗河发育小规模溶洞。综上所述，位于古暗河岩溶的TK603CH 井组，识别通道沿暗河呈分段条带分布形态，通道上连片分布各类厅堂洞、支流洞；纵向上呈分层模式，深浅层暗河不同规模溶洞通过高角度裂缝连通。

图12 塔河油田TK603CH井组三维连通通道Fig. 12 Three-dimensional connected channel TK603CH well pair， Tahe oilfield

以TK603CH-S67 井对为例分析注水期间动态响应特征。如表3 所示，TK603CH 井于2008 年11 月10 日持续注水，注水后S67 井日产油与含水率均缓慢上升，同期投放示踪剂，突破浓度较低，是背景浓度的2.19 倍，突破时间为4 d，为暗河通道快速沟通特征，动态评价结果与静态搜索路径储集体分布特征吻合。