Petrophysics 2021年第6期论文摘要翻译

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对油藏岩石物理机器学习模型的质量控制思考
Andrew McDonald

数十年的地下勘探和表征使得大量与井相关的数据需要被处理和存储。随着技术和记录方式的改进，每天收集的数据量急剧增长。随着机器学习技术在地下领域的应用日益广泛，在使用这些工具时，仔细考虑输入数据的质量是至关重要的。输入质量比较差的数据对预测的精确度和准确度的影响是比较显著的。因此，它能够影响一口井或者油田的未来重大决策。

本研究侧重于测井数据，这些数据可以是高度多维，多样化，并存储在各种的文件格式。测井数据展现了大数据的多个V的关键特征：大数据量、多样化的数据类型、变化速度、数据质量的真实性和数据的高价值等。测井数据可以包括数值、文本、波形数据、图像阵列、地图和三维数据体。所有的数据可以根据时间或者深度进行有规律的或者无规律的索引。在利用机器学习模型解释油藏岩石物理之前，需要花费大量的时间来收集数据并进行数据质量检查。测井数据可能会受到影响。许多问题会导致数据质量下降。这些问题包括从单个数据点到整个曲线的缺失数据、工具相关问题产生的噪声数据、井眼冲蚀、处理问题、不正确的环境校正以及错误的数据标记。

拥有大量数据并不意味着它可以全部传递到机器学习算法中，并期望其结果预测符合目的。至关重要的是，通过适当的特征选择技术将最重要和相关的数据传递到模型中。这不仅提高了预测的质量，而且还减少了计算时间，可以更好地理解模型是如何得出结论的。

   本文回顾了岩石物理学家在处理测井数据和部署机器学习模型时通常面临的数据质量问题。为此，我们首先概述了岩石物理领域的机器学习和大数据，然后回顾了常见的测井数据问题、它们对机器学习算法的影响，以及减轻其影响的方法。【译者：杨耿骁  校稿：王华，电子科技大学】

利用变分自动编码器提高能谱测井矿物定量评价与不确定性分析

Paul R. Craddock , Prakhar Srivastava, Harish Datir, David Rose, Tong Zhou, Laurent Mosse, and Lalitha Venkataramanan

  本文描述了一种基于变分自动编码器框架的创新机器学习应用，目的是利用地球化学能谱测井数据中原子元素浓度的测量作为输入，量化沉积地层中常见矿物的浓度及其相关的不确定性。该算法由输入、编码器、解码器、输出和一个新的成本函数组成，用于在训练过程中优化模型系数。该算法的输入是由一组原子元素的干重浓度及其相关的不确定性组成。第一个输出是14个矿物的一系列干重分数，第二个输出是一组原始元素的重建干重浓度。这两组输出都包括对其预测的不确定性的估计。编码器和解码器是多层前馈人工神经网络(ANN)，其系数(权值)在校准(训练)过程中进行优化。代价函数同时最小化矿物和重建元素输出的误差(精度度量)和方差(精度或稳健性度量)。权重的训练是使用一套具有独立的、高保真元素和矿物(石英、钾长石、斜长石、伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石、云母、方解石、白云石、铁白云石、菱铁矿、黄铁矿和硬石膏)数据的数千个岩心样品完成的。

与依靠简单的线性、经验或最近邻函数估计地层岩性或矿物学的现有方法相比，该算法具有显著的优势。ANN在数值上捕获了以前方法无法充分描述的多维和非线性元素和矿物之间的地球化学关系(映射)。训练是迭代的，通过反向传播和每个基本输入的高斯分布样本，而不是在每个迭代(epoch)的每个样本的单一值。选择这些高斯分布是为了代表测井测量中干重元素的独特的统计不确定性。在训练过程中从高斯分布进行采样减少了过拟合的可能性，为测井解释提供了稳健性，并进一步实现了对矿物和重建元素输出的不确定性的校准估计，这都是之前方法所缺乏的。算法的框架是可归纳概括的，以便它可以适用于不同的地球化学光谱工具。该算法合理地近似于一个全球平均模型，该模型在解释油田常见沉积地层时既不需要不同的校准，也不需要专家参数化或干预，尽管该框架是可以归纳概括的，因此可以根据需要对局部环境进行优化。

  本文介绍了利用测井资料估算油田地层矿物类型和丰度方法的现场应用。【译者：朱冰倩  校稿：肖文联，西南石油大学】

基于轴线和矢量分析解决Thunder Horse油田精细刻画中的难题

Bernd Ruehlicke, Andras Uhrin, Zbynek Veselovsky, and Markus Schlaich

    Thunder Horse油田的勘探目标是位于中中新世的深水浊积岩储层。尽管该油田高产，但储层段约180m厚的混合砂岩难以精细刻画。该区域的盐层结构降低了其地震资料的质量。上覆盐层和高地层压力使得在该区域钻井时需使用高密度的油基钻井液，因而影响了成像测井在该区域应用时的分辨率和解释效果。盐体运动使得受重力驱动的沉积物发生强烈的后沉积形变，并且地层覆盖在东西向的盐墙上。因此，难以评价并去除地层结构的倾角组分，并且与未受干扰的深水沉积储层相比，其古运移方向的评价更困难。本文揭示了在沉积环境混乱且构造倾角不确定情况下特征值方法在基于成像测井资料（RUEhlicke等，2019）重构沉积坡度和大型运移复合体结构中的应用潜力。基于Henry等（2018）提供的图件，文中将部分轴向分析方法应用于一组Thunder Horse油田的井资料，并详细地展示了该方法的具体细节。【译者：李玮,  西南石油大学】

基于深度学习的井壁成像沉积几何特征自动表征

Marie Lefranc, Zikri Bayraktar , Morten Kristensen , Hedi Driss, Isabelle Le Nir, Philippe Marza, and Josselin Kherroubi

从井壁成像资料中提取的沉积几何特征通常包括层边界、侵蚀面、交错层里、沉积倾角或变形层等。过去沉积几何特征的解释通常是采用人工方式，需要高水平的专家来进行解释，耗时且会受到专家主观性的影响，而且人工解释往往很难处理大斜度井的情况。通过井壁成像资料很难实现交错层理几何特征的解释。本研究的目的是开发一种自动化的方法来解释沉积构造，包括从井壁成像资料中获取由于水流方向变化引起的地层几何形状。

在该解释方法中采用深度学习(DL)实现了自动化。首先是创建二维井壁图像训练数据集，然后使用该训练集来训练深度神经网络模型。测试了不同结构的卷积神经网络(CNN)，结果表明ResNet网络构架对不同沉积构造的分类效果最佳，验证精度非常高，在93~96%之间。

   为了测试所开发的方法，研究人员根据不同井斜的不同沉积构造(即类别)创建了附加的合成数据测井曲线，并添加了裂缝。该模型能够在这些复合井眼中预测适当的类，并准确地突出显示转换。【译者：李璐瑶  校稿：王华，电子科技大学】

套管后垮塌识别：过开槽衬管用密度测井仪获取等效裸眼井井径测量的方法

Laurent Mosse, Stephen Pell, and Thomas J. Neville

  过去15年里，澳大利亚昆士兰州的煤层气行业增长迅速，其中三个液化天然气出口项目的投资就已超过700亿美元，这些液化天然气由生产的煤层气所供应。而液化天然气的年产量约为40 Bscm或1500 PJ，其80%来自于苏拉特盆地的侏罗系瓦龙煤系，另外20%来自于博文盆地的二叠系煤系。

瓦隆煤系的特征是多层薄煤层，约占单位厚度的10%。对应典型井的200-300米井段由富含岩屑的砂岩、粉砂岩和含碳泥岩互层，且与10-20米的净煤相交。这类在初级生产井段中拥有重要性存在的岩屑夹层引出了一种不同寻常的完井策略。为了最大限度地贴近含气煤，使用了未胶结缝隙衬垫；但是，在井的完整生命周期内，对流体敏感的泥夹层仍会暴露在钻井、完井和地层流体中。因此，使用外部膨胀封隔器和空白接头来隔离较大的地层间隙，从而降低细粒产量。尽管如此，仍有大量细粒产生导致人工举升失败，以及在修井方面开销巨大或者出现井漏现象。细粒的产生将对经济造成重大影响，相关报道显示在在瓦隆煤区，多达40%的渐进式空腔泵人工举升系统随时可能出现故障。

    解决这一问题的第一步是确定细粒产生的范围和分布。然而，上述完井策略无法使用机械井径仪来识别与精细生产相关的井眼扩径。因此，新开发了一种使用多探测器密度测量工具的套管后卡钳技术。短源距探测器的数据用于表征衬垫的特性以及环形材料的密度。若环形填充物因气体、地层水、钻井液和完井液以及累积的细粒而变化时，将结合使用长源距探测器测量数据与现有的裸眼地层密度测量数据确定环形填充物厚度，进而确定井眼尺寸，以补偿衬管和套管环空填充物特性。

         该方法已应用于瓦隆煤系的几口完井。且研究结果表明，该项技术能够识别开槽尾管后的井眼扩大区域，以及环形填充物中气体或细粒聚集的间隔。除此之外，该技术还成功地验证了膨胀式封隔器的位置及其完整性。 该解决方案已被用于改善井内完井方案的设计，在未来，将有助于推动完井决策，和使油井预先检修成为可能。【译者：武蕙琳  校稿：张琼，电子科技大学】

改进岩屑深度关联的纳米标记

Martin E. Poitzsch, S. Sherry Zhu, Marta Antoniv, Nouf M. Aljabri, and Alberto F. Marsala

   在钻井作业中，人们通常会从振动筛上取下岩屑进行岩性和岩石物理表征。这些分析在描述地表下岩石中起到非常重要的作用，同时对准确地测定岩屑的原始深度也是很重要的。依照传统方法，泥浆测井仪可以通过计算岩屑从钻头返到地面的滞后时间来测定岩屑样本的原始深度。然而，这些计算可能会包含深度关联的不准确性，原因在于随着钻井液移动到地面时，岩屑会移动和沉降，以及钻超径井等计划外的情况，以及其他不可预见的钻井事件，尤其是在水平段至关重要的钻井事件。因此，我们的目标是通过开发一系列基于苯乙烯的纳米颗粒来纠正这些不准确性，这些纳米颗粒可以在钻头产生岩屑时对岩屑进行标记。这些纳米标记在2019年第四季度钻井时进行了测试，结果表明，与传统的泥浆测井计算相比，纳米标记实际上有识别一些系统误差的潜力。【译者：朱冰倩  校稿：肖文联，西南石油大学】

弃井堵井中的多层套管封隔评价案例分析

Jun Zhang, Dan T. Mueller, David Bryce, Tom A. Brockway, and Fady Iskander

 水泥固井质量评估是油气井退役期间弃井堵井 (P&A) 操作的关键初始步骤。常规技术操作需要无阻碍地进入套管环空，因此强化了对生产油管的拔除或者内套管铣削的需求。如果应用最新的透过多层套管对外层水泥完整性或隔离性的评估技术，将有机会显着减少操作时间和成本，并大大简化传统的 P&A 过程。正如行业多年来所期望的那样，此新进层带隔离评估技术已证明了在不拆除生产油管或内套管的情况下评估水泥环质量的可行性。

  此创新包含了精密测井设备及新颖的数据处理方法，从而形成了一项可透过井中的多层套管来评估层带的隔离状况的技术突破。测井仪可以使用 E-line、Slickline 或连续油管被放置到井中；随后，仪器发射并接收的声波能量可以穿过油管以及周围的环空到达套管后面的隔离屏障。使用专有的频域处理算法可以成功地从较强背景信号（例如通过油管路径到达的声波）中识别出有效信号。最近的开发还实现了此技术的方位测量，从而可以提供优质的水泥环质量方位变化的灵敏度。

  本文介绍了在北海实地试验中应用全向和方位的多层套管层带隔离评价技术的案例历史。此技术的测量精度已通过与油管拆除后记录的行业标准的常规水泥固井质量(CBL) 和超声固井质量对比得到验证。此外，该技术已被证明适用于各种套管或油管重量和尺寸的组合，并适用于油管在套管内偏心的情况。因此，它在实际各种井况结构中是适用的，其中包括斜井段。

   总之，这项创新技术展示了对多层套管井况中水泥固井质量和层带隔离状况的定量评估，为废弃井操作提供了经济的解决方案，并在进一步的无井架的废弃井作业方向展现了巨大潜力。【译文：作者提供】

探井/评价井过平衡钻井对油田开发规划的影响

Mohammadhossein Mohammadlou, Matthew Guy Reppert, Roxane Del Negro, and George Jones

  在钻井设计过程中，钻井工程师和岩石物理学家有不同的目标。岩石物理学家的目标是获得关键的测井数据，但这可能会增加操作风险。钻井工程师则聚焦于井的优化设计，这会导致数据质量受损。在极端的情况下，钻井设计对岩石物理学数据的影响会导致错误的井后结果，这将影响油田开发的整个价值链评估和决策。

本文以挪威海上侏罗统油藏为例，在该油藏中，井的设计显著影响了储层表征。通过对三口井（钻探、评估、地质）的对比，发现了过平衡钻井对井和核心数据的影响。我们讨论了其对储层质量评价和体积估计的影响。

勘探井和评价井最初都进行了大量的数据收集，包括全套随钻测井(LWD)、电缆测井、流体采样和大量的取心。由于该地区存在超压油藏的风险，这两口井都使用了相当大的超平衡泥浆重量。随后，针对明显的泥浆过滤和细粒侵入，对测井数据进行校正，并对岩心测量数据进行校准，指导解释。

对岩心材料进行的深度调查使人们怀疑：过平衡钻井可能对岩心的性能产生巨大的不利影响。这对储层体积的影响是如此之大，以至于在进行油田开发钻井之前，专家决定在初始勘探井附近钻一口地质井。该井是在初始勘探阶段6年后钻的，过平衡程度相当低。大量的钻井数据，包括一个岩心，被获得。为了比较三口井间相比较的储层性质，采出的岩心至关重要。岩心的结果显示出明显不同的岩石质量特征，尤其是在储层质量谱的高端。岩心研究的结果证实了最初的假设，即过平衡钻井显著影响了岩心和测井曲线的性质。

  本研究揭示了井的设计如何对岩石物理测量产生不利影响，以及这些数据的误差如何影响地质和油藏模型，导致油田开发方案不理想，从而损害了重要的价值。本实例提供了一个案例研究，可用于改善井的设计，使岩石物理学家和钻井工程师都能实现同样的目标。【译者：朱冰倩  校稿：肖文联，西南石油大学】

阿根廷西部Neuquén盆地硅屑致密气藏综合油藏岩石物理描述

Nicolas Carrizo, Emiliano Santiago, and Pablo Saldungaray

     Río Neuquén油田位于阿根廷Neuquén省和Río Negro省之间。从历史上看，它一直是一个常规石油生产地，但后来从更深的储层转变为致密气生产地。目标地质层是已知生产致密气的Lajas地层，以及鲜为人知的上覆Punta Rosada地层，这是目前工作的主要目标。Punta Rosada地层呈现多样化的岩性，包括将多个层叠储层分隔开来的泥质层，从细粒砂岩到砾岩不等。储层压力可以从正常的静水梯度变化到超压的50%。几乎没有证据表明有可动水。

本研究中的关键井拥有一套完整的裸眼测井数据，包括脉冲中子能谱数据，并得到了超过597英尺岩心研究的支持。另外，几口探边井的数据也同样被使用，包括井壁岩心和全套电测井数据。这使得岩石校准矿物模型得以完善，利用X射线衍射数据调整粘土体积，利用岩心测量数据调整孔隙度和渗透率，并将测井解释与MICP Purcell测试的主要孔喉半径模型联系起来。为了适应核磁共振和Purcell测试在油藏条件下的束缚水饱和度，我们测试了几种含水饱和度模型。于是，我们定义并表征了三个水力单元，发现其与岩心和成像测井中观察到的岩相具有很强的相关性。聚类分析模型允许该相扩展到其余井(50)。最后，在弹性地震反演指导下，在全场三维模型中进行岩相分布。

在主要的关键井中，除了裸眼井和岩心数据，还采集了套管井脉冲中子测井(PNL)，并将其用于开发合成模拟裸眼测井(如容重和电阻率)的算法，结合光谱学矿物学信息和其他PNL数据，进行岩石物理评价。这使得在裸眼测井不可能或风险太大的紧急情况下，可以选择评估井，也可以在计划的情况下，在加密井中替代裸眼数据，从而在该油田开发阶段节省大量的钻机时间。此外，校正后的套管井模型也可用于旧井。

   本文探讨了不同岩心和测井的测量集成，解释了岩石标定的岩石物理模型和岩石类型模型的发展，其针对的是致密砂岩气藏中发现的表征挑战。研究结果对优化油田开发具有重要意义。【译者：朱冰倩  校稿：肖文联，西南石油大学】

二叠盆地Wolfcamp组流体饱和度增强评估

Sabyasachi Dash and Zoya Heidari

  传统的电阻率模型常常会高估富含有机物泥岩的水饱和度，这还需要做大量的校准工作。传统的电阻率-孔隙度-饱和度模型假设地层中的盐水是影响电阻率测量的唯一导电成分。它们也不能确切地同时考虑粘土矿物和孔隙结构的空间分布。此外，它们并不包含其他导电矿物和有机质，影响了电阻率测量，同时导致含水饱和度评估的不确定性。最近，我们引进了一个基于电阻率的模型，通过电阻率测量，定量地吸收各岩石组分的类型和空间分布，提高富有机质泥岩的储量评价。本文旨在扩大这个模型在基于测井的水/油气饱和度评估的应用，同时验证该方法在二叠系盆地Wolfcamp组应用的可靠性。

我们最近引入的电阻率模型使用孔隙组合建模，将导电(粘土、黄铁矿、干酪根、盐水)和非导电(颗粒、碳氢化合物)成分结合在一起，估算有效电阻率。该模型的输入是矿物的体积浓度、岩石组分的导电性以及从实验室测量或测井解释中获得的孔隙度。几何模型参数也是模型的关键输入。为了同时估计几何模型参数和含水饱和度，提出了一种基于两个目标的反演算法：（a）估计几何模型参数作为新电阻率模型的输入，(b)估计水饱和度。几何模型参数是通过最小化实测电阻率与通过孔隙组合建模估算的电阻率之间的差异来确定的。

  我们将该新方法应用于二叠系盆地Wolfcamp组的两个井中。基于地层的反演揭示了几何模型参数的变化，它改善了含水饱和度的评价。结果表明，与Archie’s模型和Waxman-Smits模型相比，新方法对Wolfcamp地层的含水饱和度估计分别提高了24.1%和32.4%。最显著的改善发生在Wolfcamp中部和下部地层，那里的平均粘土浓度相对高于其他地层。与使用Archie模型量化含水饱和度时相比，采用该方法的油气储量增加了70000桶/英亩，相对提高了33%。需要强调的是，新方法不需要使用岩心含水饱和度测量进行任何校准工作，这是对岩石物理学工作流程的独特贡献。【译者：朱冰倩  校稿：肖文联，西南石油大学】