油气人工智能运聚模拟的方法与技术

开展上述各项研究并实现实验区的油气运聚人工神经网络模拟涉及多项技术，其中关键技术有三项，即试验区油气运聚人工智能全局模型的建立、输导体系评价的人工神经网络模型的建立、油气运移和聚集的单元体模型的建立。油气运移和聚集的单元体模型的建立是使人工神经网络模拟由抽象的一维时空域进入四维时空域的一项创新性探索和尝试。

1.油气运聚人工智能系统全局模型

采用人工神经网络系统（ANNS）是因为人工神经网络系统（ANNS）是由大量的简单元件（神经元）广泛相互连接而成的复杂系统，具有强大的知识学习、联想、自组织和自适应能力。由于采用大规模、并行分布式存储与处理机制，使知识的获取、存储与推理一体化可以克服专家系统存在的知识获取难、学习能力差和知识库管理难等缺点。不仅增加了系统模拟的灵活性和准确性，还能与其他模拟评价系统相匹配。

为了实现油气运聚的人工神经网络模拟，采用选择论的方式（吴冲龙等，1993）将动力学模拟与非动力学模拟结合起来，通过非动力学模拟——三维内插（田宜平等，2000）和体平衡模拟（毛小平等，1998，1999）来客观而动态地生成三维非均质的盆地（或凹陷）构造 地层体及其物性参数体；将传统动力学模拟与人工神经网络模拟结合起来，在三维构造 地层体的动态模拟基础进行单元剖分，使之转化为有限个均质体后，再利用传统动力学模拟方法对相态和驱动力求解，然后运用人工神经网络技术来解决单元体之间油气运移方向、运移速率和运移量等的非线性变化问题。油气运聚人工智能系统全局模型如图8-13所示。

图8-13 烃类二次运移和聚集人工神经网络模拟系统全局模型

（双线框代表传统动力学模拟方式）

根据多年的研究和总结，人们关于油气运移和聚集的知识可以粗略地概括为以下几点。

（1）盆地构造类型控制了盆地的沉积、构造和地热特征及其演化，从而对油气系统中烃类生成数量、运移方式和聚集条件起主导作用。

（2）烃类运聚的“介质”包括通道体系、储集层、圈闭和盖层，起关键作用的是孔隙度与渗透性，不管是岩性岩相差异、断层性质差异还是通道特征差异，都可以大致归结为孔隙度与渗透性差异。

（3）某一独立油气运移单元中所有的运移通道（包括断层、裂隙、孔隙、洞穴、不整合面以及热流体侵位和喷涌管道等）及相关的围岩组成一个通道体系，与烃源体相接的某些通道（如背斜脊）可能成为主干运移通道。

（4）油气的“相态”包括游离油相、游离气相、气溶油相和油溶气相，在向上运移的过程中，低分子烃从石油中分离出去成为气相，高分子烃从天然气中分离出去成为液相，石油的密度增加而天然气的密度减少。

（5）油气相态不仅影响二次运移的效率，而且制约运移速度和方向，在进入输导层之后，特别是在浅处，油气总是以游离相态存在和运移。

（6）油气运移的动力是流体势，具体来说，二次运移的驱动力以浮力和剩余压力为主，其次是压实水动力和大气水动力；伸入烃源岩中的储集层依靠毛细管阻力可以像海绵一样吸纳油气，而构造应力在挤压盆地和构造反转期的拉张盆地中对流体势的贡献不能忽视。

（7）温度的变化既制约着油气的相态，也影响着流体压力、浮力和毛细管阻力，还可以改变通道的某些特征，从而对流体势和油气运移的速度、方向、效率起作用。

（8）油气聚集的最好场所是背斜圈闭，但在某些情况下断层圈闭、不整合面和岩性圈闭（砂体）也能富集大量油气，甚至超压带也可以对油气起封存作用，裂缝带的发育和开启（有效应力σ＝0）是自生自储型油气藏存在的重要条件。

（9）存在封堵性好的区域性盖层是油气大规模聚集和长期保存的必备条件；扩散作用是气藏破坏的重要原因，气藏的存留是补充和扩散的动平衡结果。

（10）油气在圈闭中的聚集通过渗滤作用或排替作用来实现，也可能通过渗滤和排替联合作用来实现；在运移通道上可能出现油气分异聚集现象，同时由于途中损耗和局部聚集，油气运移量将逐步减少，油气聚集量按圈闭出现的先后依次减少。

这是一些在石油地质界为多数人共识的带有公理性的知识。把这些知识与相关的动力、介质及油气相态的多种参数以及推理规则结合起来，就可以完善系统的知识库。

2.输导体系评价的人工神经网络模型

油气运聚模拟所面对的是一个具有四维时空特征的油气系统，在新的试验区进行人工神经网络模拟，首先要完善相应的推理规则和知识库，以及输导体系评价的人工神经网络模型。

1）油气运移方向和运移比率的推理规则和知识库

油气运聚人工神经网络的推理规则来自于专家的知识与经验，从大的方面讲，包括油气相态判别规则、流体势组成判别规则、水动力类型判别规则、构造应力反演的约束判别规则、毛细管阻力判别规则、断层力学性质判别规则、断层活动性判别规则、断层封堵性判别规则、裂隙带开启程度判别规则、断层和裂隙带活动期判别规则、模拟油气运移和聚集过程，评价油气资源潜力，必须遵从一系列严格的逻辑准则——符合接触类型和接触面积判别规则、油气运移方向判别规则、油气运移比率分配规则和运移量衰减判别规则等。

2）输导体系评价的人工神经网络模型

油气运移和聚集模拟所面对的是一个具有四维时空特征的油气系统，其中的输导体系构成了油气运移的活动空间，根据已建立的油气运移输导体系的概念模型，采用模糊数学方法对各输导体输导性的影响因素进行定量化，在此基础上，利用人工神经网络技术建立各输导体的评价模型。通道体系的输导性能评价，都可以归结为对介质特征的评价。目前已经认识了的通道体系的介质类型，大致有岩层、断层、裂隙带和不整合面四种。因此，基于人工神经网络的通道体系的输导性能评价模型，可划分为岩层、断层、裂隙带和不整合面四个子模型。

岩层（体）、断层、裂隙带和不整合面输导性的影响因素众多，但目前的评价标准不统一。本系统综合各方面的见解，采用模糊数学的隶属度分割方法建立了各影响因素的评价矩阵。对于断层、裂隙带和不整合面，其影响因素评价矩阵的元素按照有利度由“好、中等、差、很差”的形式组成。相应地对岩层、断层、裂隙带和不整合面的综合评价结果亦划分为四个等级；对于碎屑岩层（体），为了使之与习惯上的砂岩、砂泥混合岩和泥岩相适应，评价矩阵的元素由“好、中等、差”的形式组成。对其评价结果也相应地划分为三个等级。岩层、断层、裂隙带和不整合面等综合评价等级，表示输导性由好到差、储集性从差到好的变化。用户只要从专家知识库中获取岩层、断层、裂隙带和不整合面输导性评价的BP神经网络学习样本，采用n（输入层）－2n＋1（隐含层）－1（输出层）的神经网络拓扑结构进行学习训练，就可建立起BP神经元网络评价子模型。考虑到岩层（体）、断层、裂隙带和不整合面的输导性处于不同的水平上，为了便于在不同类型介质中进行比较，在建造方法模型和软件模型时，需要对它们的期望输出值进行矫正，使其具有相同的标准。

将从专家知识中获取的样本，经过对岩层（体）输导性评价指标及评价级别等指标定量化之后，采用6（输入层）－13（隐含层）－1（输出层）神经网络拓扑结构，系统的误差设定为0．0001，经过反复学习，即建立了岩层（体）评价人工神经网络评价模型。

3.油气运移和聚集的单元体模型

采用三维网格化方法来剖分单元体，可使非均匀的复杂介质转化为有限个均质体。剖分的尺度准则是要求在横向上能反映岩性、岩相的变化及局部圈闭，在纵向上能反映各层系的构造及有关地质特征。每个单元体的输导性通过人工神经网络来判别，输入数据包括初始烃量、相态、介质参数和流体势等，可通过传统动力学模拟和三维数字地质体模拟来获取。

1）单元体的划分

目前基于角点模型，已将地层划分为多个单元体，每个单元体所需要的数据包括初始烃量、相态、介质类型、孔隙度和驱动力等，部分参数已通过前面的模拟得到，而一些参数则需要临时获取，如相态和流体势可以采用前述数学模型来求解和判定。

2）单元体输烃比率估算

每个单元体向其上、下、左、右、前、后各单元体输出的烃比率可以根据该单元体与相邻单元体的介质类型、孔隙度和驱动力的综合比较来进行半定量确定。下面以仅考虑向上浮力和毛管阻力驱动的简单情况为例加以说明。

下面是两条从水平的泥岩单元体向外排烃的判断规则（专家知识）的定性表述：

规则1106

（1）若盆地处于持续沉降阶段，且

（2）单元体基本上由泥岩，且

（3）单元体的泥岩处于正常压实阶段晚期，且

（4）单元体的顶上是砂岩，且

（5）单元体的一侧是砂岩，且

（6）单元体的另三侧是泥岩。

则油气主要是向顶上的砂岩作垂向运移，部分向砂岩一侧横向运移。

单元体输导性能评价指标采用模糊数学的隶属度分割方法对单元体与周围各单元体输导性能评价指标定量化，同样能建立评价矩阵，当把从专家经验中获取的样本代入网络，将各单元体的输导性定量指标值作为网络输入，将向相邻各单元体的烃输出比率作为网络的输出，系统的误差设定为0．0001，经过反复学习，即建立了单元体输烃比率评价的人工神经网络评价模型。

3）断层单元的烃运移模型

由于断层的作用，可能导致储集层和储集层、储集层和盖层、储集层和烃源岩或烃源岩和盖层等不同输导性能的地层对置。显然，无论断层单元是作为油气运移的有效通道单元，还是作为封堵单元，其对油气的运移和聚集都会产生重要影响。

如果断层单元作为油气运移的通道单元，油气在沿着断层单元向上运移的过程中，会向与其相连接的储集层单元分配烃量，如果存在多个储层单元，一般上部储层单元的烃类分配量较下部为少，但这种烃类的分配主要依据断层单元和储集层单元、储集层单元和储集层单元之间输导性的对比关系。其简单的模型表达如下。

假设与断层相连接的且接受断层烃分配量的储集层单元体的数量为n，各单元体的输导性评价指数分别为i1，i2，…，ik，…，in，则第k个单元体接受的烃分配量为：

式中，Q为断层烃分配总量；Qk为第k个单元体接受的烃分配量；αk为第k个单元体接受烃分配量的修正系数（根据运移距离确定）。

由于断层运移烃类的实际地质过程非常复杂，影响因素很多。在上面建立的简单模型基础上，综合各种地质因素能够很好地解决与断层单元体相连接的各单元体烃量分配问题，为模拟软件模型的建立和软件开发奠定基础。

思考题

1．盆地模拟的任务和性质是什么？

2．盆地模拟与油气成藏模拟的联系和区别是什么？盆地模拟的内容包括哪些？

3．地史模拟的内容是什么？有哪几种方法？

4．热史模拟的内容是什么？有哪几种方法？

5．生排烃模拟的内容是什么？有哪几种方法？

6．运聚模拟的内容是什么？有哪几种方法？