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基于模糊神经网络的生产测井资料解释方法研究 摘要 多相流测量对油田的开发具有重要的意义，它可以为地质分析提供丰富的动态资料，对油井的 动态异常进行诊断，确定油井的生产状态，对开发区域进行系统监测，研究各开发层系动用状况和 水淹状况。以便采取综合调整措旖，同时检查各种措施的效粟，最终达到增产目的 本课题来源于黑龙江省自然科学基金资助项目“基于r b f 模糊神经网络的三相流测井资料解 释”，本文在应用阻抗式过环空找水仪在多相流模拟装置上实验的基础上。对实验结果进行分析和比 较，并研究出适合该仪器的三相流解释方法。 首先，应用阻抗式过环空找水仪及压差密度计在多相流模拟装置上进行实验。实验分两相流和 三相流两种情况进行，实验方法依据解释方法进行确定。对流量和含水率测量实验结果进行分析， 实验分析对两相和三相含水率、流量分开进行，分析含水率和流量测量值与实际流量、含水率、含 气率之间的关系，并对两相与三相下仪器的响应规律进行比较。并应用三相流动的漂移解释模型对 预测效果进行了分析验证 其次，利用人工神经网络对于非线性映射的强大的逼近能力，采用传统的b p 算法建立流量和 含水预测模型在分析b p 算法中参数性质、互相关系和算法结构复杂性后，设计网络结构并进行 训练和仿真。 最后，利用r b f 神经网络和模糊推理系统具有函数等价性，将二者有机结合起来，得到的模糊 r b f 神经网络解释模型，并将各模型预测后得到的流量、含水率进行了比较。 关键词：三相流；模糊r b f 神经网络；响应规律；b p 神经网络：模糊理论 n r e s e a r c ho np r o d u c t i o nl o g g i n gd a t u mi n t e r p r e t a t i o nm e t h o do nf u z z yn e u r a l n e t w o r k s a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tf o rm u l t i p h a s ef l o wm e 越u r e m e mt ot l ee x p l o i t a t i o no f o i lf i e l d w h i c hc a np r o v i d em a n y d y n a m i cd a t af o rg e o l o g ya n a l y s i s ，m a k ead i a g n o s i sf o ra l m o r m i t yo f o i lw e l l ，c o n f i r mt h ep r e d u c t i o ns t a t e o f o nw e l l 。s u p e r v i s ee x p l o i t a t i o na r e ab yt h en u m b e r s ，a n dr e s e a r c he x p l o i t a t i o ns t a t u so f e a c ho i ll a y e rs o a st ot a k ei n t e g r a t i v ew a y ，e x a m i n ee f f e c to f d i f f e r e n tw a y s ，a n dm a k ep r o d u c t i o ni n c r e a s i n gi nt h ee n d t h i st h e s i so r i g i n 锄i nt h eh e i l o n g i i a n gp r o v i n c en a t u r a ls c i e n c e sf u n ds u b s i d i z a t i o np r o j e c ti t e m “t h er e s e a r c ho nt e s t i n gi n t e r p r e t a t i o no ft h r e e - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tb a s e do nt h er b ff o z z yn e u r a l n e t w o r k ”i nt h ep a p e r , o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t i n g0 1 1t h em u l t i p h a s ef l o wl o o pw i t ht h ei m p e d a n c e w a t e r c u tm e t a r ( t w m ) ，e x p e r i m e n tr e s u l t sa r ce o m p e da n da n a l y s e a t e s t i n gi n t e r p r e t a t i o no f t h r e e p h a s e f l o wm e a s u r e m e f f ta p p l i e df o ri w mi ss t u d i e ds u c c e s s f u l l y a tf i r s t , 1 w ma n dp r e s s u r ed r o pd a n s i m e t a ra r ee x p e r i m e n t e do nt h e m u l t i p h a s ef l o wl o o p e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tw i t ht w o - p h a s ef l o wa n dt h r e e - p h a s ef l o w t h ew a yo fe x p e r i m e n ti sd e e i d e db y t h ei n t e r p r e t a t i o nm e t h o d e x p e r i m e n tr e s u l t so ff l o w r a t em e a s l l r e m e n ta n dw a t e r c u tm e a s u r e m e n ta r e a n a l y s e d a n a l y s i si sp e r f o r m e dt of l o w r a t em e a s u r e m e n ta n dw a t e r c u tm e a s u r e m e n to f t w o - p h a s ef l o wa n d 1 l l r e e p h a s ef l o ws e p a r a t e l y t h er e l a t i o n s h i po ff i o w r a t em e a s u r e m e n ta n dw a t e r e u tm e a s u r e m e n tw i t h a c t u a lf l o w r a t ea n dw a t e r c u ta n dg a s c u ti s a n a l y s e d t h er u l eo fa p p a r a t u sr e s p o n s e i s c o m p a r e dt o t w w p h a s ef l o wa n dt h r e e - p h a s ef l o w a n d ，a p p l i e sd r i f tm o d ea si n t e r p r e t a t i o nm o d e lo ft h r e e - p h a s ef l o w t op r e d i ce f f e c to f m o d e li sc h o k e du pb yd a t a u s i n gp o w e r f u la p p r o a c h i n ga b i l i t yo ft h ea r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k st oo o n l i n e a rm a p p i n g ，p r e d i c t i o n m o d e lo ff l o w r a t ea n dw a t e r c u ti se s t a b l i s h e db yb pn e u r a ln e t w o r k s t h ec o m p l i c a t e dm o d e l i n gp r o c e s si s a v o i d e d 1 1 c h a r a c t e r i s t i co fb pn e u r a ln e t w o r k si sa n a l y s e d n e u r a ln e t w o r k ss t r u c t u r ei sd e s i g n e d n e u r a ln e t w o r k si st r a i n e da n ds i m u l a t e ds u b s e q u e n t l y f l o w r a t ea n dw a t e r e u ti sp r e d i c t e da f t e rn e u r a l n e t w o r k si sf i x e d t h er e s u l t sp r e d i c t e db yn e u r a ln e t w o r k sa r e 踟p a r c dw i t ht h o s ec a l c u l a t e db yf l o w r a t e p l a t e n e x t , u s i n gp o w e r f u la p p r o a c h i n ga b i l i t y o ft h ea r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k st on o n - l i n e a rm a p p i n g , p r e d i c t i o nm o d e io ff l o w r a t ea n dw a t e r e u ti se s t a b l i s h e db yt h et r a d i t i o n a l b pn e u r a ln e t w o r k s a f t e r a n a l y z e si nt h eb pa l g o r i t h mt h ep a r a m e t e rn a t u r e ，r e l a t e sa n dt h ea l g o r i t h ms t r u c t u r ec o m p l e x i t ym u t u a l l y t 0d c s i g nn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dc a r r yo nt h et r a i n i n ga n dt h es i m u l a t i o n f i n a l l y , u s i n gt h ef u n c t i o ne q u i v a l e n c eo f t h er b fn e u r a ln e t w o r ka n dt h ef u z z yr e a s o n i n gs y s t e mt o m a k et h et w oo r g a n i cs y n t h e s i s t h em o l dw h i c ho b t a i n st h ef u z z yr b fn e u r a ln e t w o r ki n t e r p r e t a t i o nm o d c l ， a f t e ra n dv a r i o u sm o d e i sf o r e c a s to b t a i n st h ef l o w r a t aa n dw a t e r c u th a v ec a r r i e d0 nt h ec o m p a r i s o n k e y w o r d s ：t h r e e - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t ；f u z z yr b fn e u r a ln e t w o r k ；r e s p o n s er u l e ；b pn e m a l n e t w o r k ；f u z z yt h c o r y 1 1 1 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了, j , l t - i 既明j f 表示谢意。 作者签名： 堙砂 学位论文使用授权声明 日期：塑 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后 适用本规定。 学位论j r , ：i t 签名： b 翔：d 。7 一j - f ? 衫鬈衫 导师签名： 日1 t ：0 = - , - 7 多d z f 创新点摘要 随着油田开发进入高含水开发后期。大多数油井都伴随着气体的产出，以前的两相 流测量仪器及解释方法已不能满足现有的产出剖面测井的要求，为此迫切需要研制新的 测井仪器并研究出三相流情况下的解释方法，本文应用新研制的过环空阻抗式找水仪以 及压差密度计在多相流模拟装置上进行实验，对仪器在三相流动下的响应进行分析，研 究三相流动下的解释模型。建立基于r b f 下的三相分相含率及流量的模糊辨识模型； 根据测量获得的持水率、密度、流量、压力、温度等参数数据，进行学习样集的选择、 网络隐层节点数的确定、径向基函数的数据中心c i 及宽度6i 的确定、权值修正算法等 的研究，为生产测井资料解释提供了新的尝试。 i v 引言 大庆油田二、三次加密油井的主要开发对象是未动用的剩余油以低含水、中含水层， 其中薄差层、表外储层居多。这些层大多与周围水井连通性差，供液能力较差。由于目 前没有与之匹配的提升技术，井内流压较低，普遍存在油层近井地带脱气现象。另外， 注气增产等措施也使井内产气。这些造成了油井内油气水三相流动的局面，因此油气水 三相流测井方法及技术是目前急待探索解决的问题。油水两相流测井的使用条件是油井 以产液为主，在地层产气或井内脱气的情况下，如果仍按照油水两相流解释测井资料， 就会与井口计量结果不对应。在大庆油田2 0 0 3 年采用两相流测井录取的产出剖面资料 中，随机抽样6 0 口井的资料，显示多数井用两相流测井在井下测得的产量高于井口液 量的计量值，这说明两相流测井不适应的井数仍很多。与产出剖面油水两相流测井技术 相比，三相流测井技术的突出优点是能够在气相存在的条件下进行测井，并铺以井温、 井压、磁定位等技术，实现三相测井。产气较多的油井在油藏中主要分布在构造高点或 断层附近，脱气严重的用油井主要分布在水淹不严重且生产压差较大的地带。由于三相 流测井测量参数较多，准确有效的资料解释更能反映井内实际情况，所以这项技术在薄 差油层、物性差、纵向跨度大、平面上分布面积小、高度分散的剩余油层挖潜方面具有 较大的优势。 大庆油田进入中晚期开发以来，为提高注水、注气效果，以达到优化油井生产的目 的，必须准确确定油井内分层分相含率( 含水率，含油率，含气率) 及分层流量的变化。 随着气相的介入，使得井内流型多变，给产出剖面测井技术增加了很大难度。虽然自8 0 年代以来油田测井部门研制出了多参数集流型环空三相测井组合仪( 流量、密度、持水 率、温度、压力) ，投入生产后去得了一定的地质应用效果。尽管如此，由于井内三相 流动的复杂性，仪器呈现非线性动态响应特性，有关以确定油、气、水分相含率及流量 为目标的三相流测井动态建模技术仍需进一步探讨与研究。 大庆油田和国内多数陆相沉积油田的生产井具有产层多、产量低等特点，随着油田 开发处于高含水后期，现在大量的油井都伴随着气的产生，由于气物理性质的特殊性， 它的产出对三相流流量和含水率的测量都造成了一定的影响，导致三相下响应规律与两 相状态下相比截然不同，给油气水分相含率的测量造成困难。三相流动井仅应用阻抗式 过环空找水仪和两相流动解释方法不能得出油气水分相含量。由数学知识可知，在三相 流动时若想得出油气水分相流量除需知道总流量测量值和持水率测量值外还需知道含 气率值，在此次实验中尝试利用压差密度计对流体密度进行测量进而得出含气率值。实 验完成后，如何利用仪器测得的总流量值、持水率值、密度值计算出油气水分相含量就 成为测井解释模型研究的主要内容。近年来，很多人在这方面作过一些工作，但主要是 在理论测量上作一些探讨，在系统实验研究上研究甚少，实际测井中三相流的测量和分 v 相含率成为急需解决的难题。本课题就是针对这一要求而提出来的，主要目的是通过涡 轮流量计、压差密度计、阻抗式含水率计的组合测量得出油气水的实际含率。通过对实 验数据的处理得出分相含率的同时，对实验数据进行分析并结合实验现象得出仪器响应 规律，再通过模糊神经网络模型为三相流测井解释提供新的解释模型以便指导实际的测 井和以后的三相流理论研究。 v i l l 大庆石油学院硕t 研究生学位论文 1 绪论 1 1 多相流测井及其在油田开发中的作用 油水井在工作过程中所进行的测井称为生产测井。产出剖面测井。即油井内的多相 流测量，是生产测井的一个重要组成部分。在油井的生产态下，井筒内的流动一般为油、 水两相流或油气水三相流动。产出剖面测井可动态测量油井内各产层产出流体的类型及 分相流量，可以为油井注采方案的制定和调整提供可靠依据，为压裂、堵水等措施选层 提供资料，并评价措施效果【l j 。大庆油田和中国多数油田为陆相沉积，具有低孔、低渗、 多层系开发等特点。由于长期注水开发，产液含水不断上升，综合含水率高达8 0 以上。 在这种情况下，使用动态测井资料指导压裂、堵水等措施十分重要 2 3 , 4 1 。大庆油田每年 这类测井2 0 0 0 井次以上。到2 0 0 0 年，大庆油田已成功实现稳产5 0 0 0 万吨2 5 年，有效 控制了含水上升速度。产出剖面测井技术为油田的长期稳产发挥了不可缺少的作用。 由于中国油田多数油井为机采井，测井仪器仅能通过油管和套管之阃的环形空间起 下，一般要求仪器外径不超过2 8 r a m 。苛刻的起下条件使大多数在地面上应用的非常成 熟的流量和流体组分测量技术难以直接推广到井下，给井下仪器的传感器、电路及其它 辅助装置设计都带来极大困难。在井内，由于温度、压力等条件的变化，油、气、水的 物性参数也沿井深变化，多相流体流动状态复杂多变，无疑给测量带来了严重的困难1 5 期。 而一些低产量、高含水井的出现又进一步加剧井下的测量难度。大庆油田在流量和含水 率测量方法方面投入了较多的研究力量。目前已经初步形成了较完备的技术体系。发展 了从低产液到高产液，从低含水到高含水，从油、水两相流到油、气、水三相流，从垂 直管流到水平管流等各种测井技术，建立了功能强大的油气水聚合物溶液多相流动实 验装置，能在垂直、倾斜和水平管流下模拟井内多相流的流动状态，为多相流机理研究， 测井仪器开发及仪器标定提供实验手段。尽管如此，现有的测量技术仍须在测量精度、 可靠性、数据传输率、仪器的耐温耐压等技术指标方面予以提高。 为了满足油田开发需要，针对井内的多相流测量，国内外采取了不同的技术路线， 并各有其特点。西方的一些大的测井公司如斯伦贝谢、哈里伯顿、阿特拉斯等采用测量 总流量、含水率、平均密度的方法确定井内分相含率；而俄罗斯的测井公司遵循另一思 路，不过分要求某一个参数的测量精度，而是要求性能稳定，工作可靠，对同一储层的 流体特性采用时间推移的方法来分析其动态变化的规律。在国内，大庆油田早在7 0 年 代就研制了流量、含水率的监测仪器，到8 0 年代又发展了放射性的测量方法，能在一 定的流量范围内测量油、气、水的分相含量，并采用集流的方法来提高流量和含水率的 测量精度，到了9 0 年代，又针对新的油田开发形势的需要，发展了适应高含水采出井 1 绪论 和聚合物驱采出井的测井技术。以上技术路线各有所长，但还不能完全满足油田开发的 需要，油井多相流检测自始至终伴随着油田开发而得到发展和完善，有着广泛的发展前 景和实际意义。 1 2 多相流流量和含水率测量现状 1 2 1 油、水两相流测量现状 1 2 1 1 油、水两相流流量测量 目前，油井内多相流的流量测量普遍采用的是涡轮流量计【7 1 。它具有结构简单、线 性好、压损小、频率信号输出易于处理等突出优点。放射性示踪流量计也有少量应用， 主要限于低流量和单产液井的测试，在我国华北油田用的较多，胜利油田还发展了通过 测量井温来确定井内流量的方法。在过去几十年里，基于电容、电导、超声波、动力波 喁】、热、放射性等多种敏感技术的流量计已经得到研究，但除了涡轮流量计之外，这些 流量计未能得到广泛的应用。 井下的涡轮流量计有连续流量计和集流式流量计。连续流量计被扶正于井筒轴心位 置，可随深度连续测量，适用于高产液井的测量。由于涡轮覆盖面积仅占井眼面积的很 小一部分，因此仅处于沿套管轴心附近的流体才能通过传感器。西方的测并公司还发展 了一个可折叠的全井眼流量计。当仪器在井内起下过程中，涡轮页片收拢。在测量时， 涡轮的叶片打开，能覆盖大部分井眼，受流动状态的影响，不适于低中产井( 如每天产 液几十立方米的井) 或井低部的低产层的测量，也不适于在斜井和水平井中进行测量。 因为轻质相与重质相的分离，导致流体在井内形成复杂流态，例如出现回流，使涡轮的 响应规律更加复杂化。集流式流量计克服了连续型仪器的缺点。在测井仪器串的上游安 置了集流器。当仪器定位于给定的测量点后，在地面驱动使集漉器张开。张开的集流器 封堵了套管内壁和测井仪器之间的环形空间，使全部流体经过仪器内的狭窄测量通道。 集流后，流体通过流量计的速度提高了几十倍，使流量计的灵敏度大大提高，因此这种方 法适于低产液井测量。在完全集流情况下，集流式流量计在室内多相流实验装置的标定 精度可达3 ，一般能够保证为5 。集流式流量计也可以用于产量较低的斜井和水平井 测量。由于在测量通道内流体的高速流动使油水混合均匀，流动状态及井斜角度对测量的 影响大为减小。如果选择合适的流道面积和涡轮尺寸，该型流量计实践证明，集流是目前 测量低产井内多相流的一种行之有效的办法。在中国，尤其是大庆油田，广泛采用集流式 流量计。但是这种流量计实现集流的流量上限较低，约为1 0 0m 3 d ，耐温指标一般为 1 2 5 。集流方法的另一主要缺点实现连续测量的工艺难度很大。 1 2 1 2 油、水两相流含水率测量 含水率是确定油水两相流分相流量的另一关键参数。在生产测井中，含水率和持水 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 率是两个常用的概念。含水率定义为水的流量与两相流总流量之比。持水率则为流道某 一截面上油相所占的截面积与管道截面积之比，在该比例不变的情况下，可理解为管道 内水的体积所占的百分比。由于油水之阀存在密度差，油以高于水的速度向上流动，因 此，持水率总是大于含水率。尤其在平均流速较低时，两者的差别更大。当平均流速很 高时，油水流速差同平均速度相比可以忽略，此时持水率与含水率接近或相等。井下的 含水率很难直接测量，通常先测量持水率和流速，再利用实验图版或理论模型校正为含 水率。然后根据测得的总流量计算出油水的分相流量。图版可在多相流实验装置上通过 实验获得。采用集流的测量方式可以提高含水率的测量精度，因为流体的高速流动加快 了油水之间的均匀混合，减小了流动状态对流量和含水率测量的影响。而且集流后油水 的平均速度提高，持水率更接近于含水率，减小了由持水率校正为含水率导致的误差 【9 1 0 】 a 目前井下测量持水率采用阻抗持水率计f 1 1 】，短波持水率计 1 2 l 也得到了研究和应用。 放射性 1 3 , 1 4 、光纤、电磁波等测量方法也得到了研究。井下仪采用的电容传感器0 5 , 1 6 1 都 是由表面覆盖绝缘层的金属内电极和同轴金属外壳构成。但按工作方式不同，电容含水 率计又可分为取样式( 集流) 、差压平衡式( 非集流) 、过流式( 集流、非集流) 等几种。这几 种电容含水率计的仪器响应与持水率的关系、持水率测量范围、测量精度以及传感器的 适用范围也有显著差异。 1 2 2 油、气、水三相流测量 目前，油田地面油气水三相计量采用分离的方法。利用分离器将其中的气相分离 出去单独计量，余下的油水混合物按两相流处理，或将油、气、水三相分离，分别计量 每相流量，但这种方法不适合油田测井仪器的开发。要确定油气水分相流量，必须同时 测量总流量、含水率、含气率、温度、压力等多个参数。c m i 研制的非接触式多相流组 分仪利用电容传感器和伽玛衰减密度计的组合来测量油气水的分相含量，室内实验表 明，该仪表能够以3 的精度测量每一相的浓度。t e a 研制的多相流量计采用由环形 电极构成的组分仪结合伽玛密度计和文丘里管测量油气水三相流分相流量。在b h r 集 团实验室所进行的实验表明。当流体的含气率小于1 5 时，该多相流量计测量总流量和 含水率的误差为5 。b e c k e t a l 提出的利用噪声来测地面管道原油中含水及天然气含量 的方法为油气水的测量提供了一个有价值的思路，其测量原理是在测量电容前加一个搅 拌器，搅拌之后，水变成细小水滴均匀分布在油中，经过电容之后，水滴大小和分布交 化不大，因而水相只以静态浓度形式产生静态电容变化，传感器的输出电压随含水率增 加而变大。而气相与此不同，经搅拌之后虽均匀分布在液体里，但气泡比水泡大得多， 而且流经电容时还会重新汇集成更大的气泡，呈现幅度很大的电容噪声，因而产生动态 的电容输出，气体的静态浓度越大，则动态电容输出越大。经检测电路将传感器的动态 信号和静态信号分离并经过信号解藕运算，即可实现油气水三组分含量的检测。而流量 i 绪论 则通过对两个电容传感器的输出信号进行相关处理获得。上述测量系统工作于地面管 道，但选择合适的传感器，其测量原理也适于井下测量。英国的h o iy e u n g 1 7 】应用常规 的仪器组合成传感器阵列进行实验，对油田可能出现的三相流进行测量，将测量结果存 入数据库，该数据库对于工业和科研中的三相流问题能起到一定的指导作用。 斯伦贝谢和西方的一些大的测井公司都十分重视水平井和斜井的产液剖面测量，因 为中东地区和北海等油田新钻的井都是水平井。目前，斯伦贝谢公司已经在应用电阻探 针、化学示踪、可见光电视、放射性方法测量多相流方面作了很大工作。在测量方法上， 由传统的平均参数测量向多探头阵列传感器方向发展。斯伦贝谢公司开发的f l a g s h i p 组合仪已经投入应用。该仪器利用电阻探头测量持水率、化学示踪法测量多相流体的分 相流速。该公司还研究利用光纤探头测量持水率的方法。光纤的一端与流体接触，由于 油和水的折射系数不同，因此光纤的反射光强也不同。探头输出二进制信号，经过处理 后，可以获得持水率并确定流型。如果在一个管道截面上布6 - 8 个探头，可以实现2 的测量精度。美国康普勒公司开发的相流速测井仪也是基于电阻探针的方法。 目前，国内外的科研工作者开始对相关流量计 1 7 , 1s 】应用于井下测量进行研究，并且 已经研制出成型仪器，该流量计利用多相流体内部的随机扰动来测量流速，更适合于多 相流体的测量。由于没有可动部件，可以克服涡轮流量计仪表常数易变的缺点。 现有的确定井下油气水三相流产出剖面的方法基本是通过测量三相总流量、持气 率和流体密度三个参数，结合温度、压力及油、气、水的物性参数确定油、气、水的分 相流量【1 w 。测井仪器串通常由集流式涡轮流量计、放射性流体密度计( 或压差密度计) 、 流体电容含水率计及温度计和压力计构成。在三相流中，非集流的连续流量计则能够更 好得测量油、气、水三相的总流量，这是由于流速增加，油、气、水混合更均匀的结果。 大庆油田利用集流式流量计和放射性( 源为镉1 0 9 ) 密度计组合来测量三相流。流体的 密度和持水率采用低能源探头同时测量 2 0 l 。当放射性源的能量低于3 0 k e v 时，水与烃( 油 和天然气) 的质量吸收系数差别较大；而当能量高于6 0 k e v 时，则油、气、水三相的质 量吸收系数差别很小。镉1 0 9 能发出能量为2 2 k e v 和8 8 k e v 的两种射线。因此采用镉1 0 9 作为源，源发出的两种能量的射线强度经过油气水混合物时会发生衰减，利用探测器测 量两种能量的射线强度，通过列方程能够算出油、气、水各相的体积分数，从而实现采 用一个探头同时测量液体的持水率和密度，再利用涡轮流量计的测量结果，采用合理解 释模型，就可以获得油、气、水的分相流量1 2 1 , 2 2 1 。 上述的三相流测量方法中，流体电容法含水率计主要适用于低含水测量，同时该含 水率计的电极容易粘污而影响测量精度。应用放射性方法进行测量的主要缺点是放射源 容易对环境造成污染，测量成本高。 4 1 3 产出剖面含率解释方法研究现状 产出剖面解释方法一直是测井工作者和科研院所研究者们的重要研究对象。油井多 大庆石油学院硕 研究生学位论文 相流系统的流动特性十分复杂，所以目前油井多相流参数测量结果还只能是给出平均流 体流动特性。多相流间界面的随机可变性，常常使测量仪器响应呈现波动，即使是在所 谓的稳态流动中测量，多相流平均流动参数在管内任一位置上也是随时闻发生变化的， 且在管截面方向上流动参数分布也是不均匀的。在这种状态下，要想从原始多参数测量 结果通过建立解释模型，给出合理的油井产出割面，还需对测量信息的解释方法技术进 行研究。目前解释技术归纳起来有如下几种方法： 1 流量图版法 此方法完全依靠测量仪器在多相流模拟装置中的响应规律作出的实验图版解释分 相流量问题。其主要反映的是仪器在模拟井多相流中的动态响应特性，从所得的实验规律 可以进一步认识现象、理解概念，并为物理模型的建立奠定基础只有当模拟井中流体的 物性参数相一致时，才可以给出较好的结果。在一定程度上，该方法具有实用性。 2 井下刻度法 将仪器在全流层对涡轮流量计、含水率计进行实时刻度，这个刻度是参照地面计量的 油水两相流量进行的。刻度后的仪器进行测量，最后联系求解方程，确定油水分相持率。 针对油水流动复杂且难建立流动方程的特点，这种方法应用简便，可以定量确定两相产出 剖面，但这种方法对全流层流体物性与其他层物性之间的差异敏感，并且依赖于地面计量 资料的准确性，因此该方法在实际应用中很难推广。 3 、统计法 采用多元线性回归分析技术把油水两相流总流量与流量计响应、含水率计响应联立 起来，并得到相关系数较高的回归方程，解决了油井总流量的预测问题。这一方法在美国 一些地区得到了很好的应用，统计模型在物理关系不太复杂且已知大量实验数据的情况 下，能够得至q 较好的处理结果，缺点是模型外推能力较差。 、 4 、经验法 该方法首先由测量的温度、压力参数。计算出油井内油气水三相流体的物性参数， 根据测量得到的混合密度及持水率，求出持水率和持气率。然后视持率与含率近似相等， 求得分相流量，该方法的优点是当三相流动均匀且无相问滑脱时使用特别简便，例如集 流测量效果好时，但实际上，这种假设遇到非均相时误差较大。 5 、最优化测井解释方法 九十年代s c h l u m b e r g e r 公司把最优化分析技术用于多相流测量信息处理，这种方法 根据仪器响应方程来建立反映测量值和理论值之差值大小的误差函数或非相关函数。 目前油井多相流解释技术归纳起来有两大类方法：基于实验的经验解释方法和半物 理模型法。前者完全依赖于测量仪器在多相流模拟装置中大量的实验数据或地面计量的 结果及一些已知的参数，而由于油井多相流测量工艺及环境及其复杂，多相流参数测量 结果还只能给出平均流体特征，所以大大限制了此类方法的应用。半物理模型法主要包 括经验法和流动分析方法。但半物理模型法都是基于对相间滑脱的假设。在多相流解释 中研究者花大力气研究各种可能的滑脱模型或是漂移模型，尽管这些模型在实验和实际 l 绪论 生产中都取得了一定的精度，但处理过程都异常复杂，而且滑脱速度的不确定性以及持 率和流量测量的误差常常会削弱这些方法的可靠性，同时这些模型各自的适用范围都受 到实验模型条件的限制。传统的产出剖面测井解释技术在很大程度上受到对多相流流动 特性认识不够的制约，发展产出剖面测井解释技术迫切需要引进新的思想。 1 4 本文研究的目的、意义和主要内容 大庆油田和国内多数陆相沉积油田的生产井具有产层多、产量低等特点，随着油田 开发处于高含水后期，现在大量的油井都伴随着气的产生，由于气物理性质的特殊性， 它的产出对三相流流量和含水率的测量都造成了一定的影响，导致三相下响应规律与两 相状态下相比截然不同，给油气水分相含率的测量造成困难。三相流动井仅应用阻抗式 过环空找水仪和两相流动解释方法不能得出油气水分相含量。由数学知识可知，在三相 流动时若想得出油气水分相流量除需知道总流量测量值和持水率测量值外还需知道含 气率值，在此次实验中尝试利用压差密度计对流体密度进行测量进而得出含气率值。实 验完成后，如何利用仪器测得的总流量值、持水率值、密度值计算出油气水分相含量就 成为测井解释模型研究的主要内容。近年来，很多人在这方面作过一些工作，但主要是 在理论测量上作一些探讨，在系统实验研究上研究甚少，实际测井中三相流的测量和分 相含率成为急需解决的难题。本课题就是针对这一要求而提出来的，主要目的是通过涡 轮流量计、压差密度计、阻抗式含水率计的组合测量得出油气水的实际含率。通过对实 验数据的处理 ! 导出分相含率的同时，对实验数据进行分析并结合实验现象得出仪器响应 规律，再通过模糊神经网络模型为三相流测井解释提供新的解释模型以便指导实际的测 井和以后的三相流理论研究。 本文的主要研究内容包括以下几部分： 1 对油气水测量实验结果进行分析，主要包括利用新型测量仪器在多相流模拟装 景上进行系统实验，并对油气水总流量和含水率测量与三相流实际含水率、密度与实际 总流量之间的关系进行分析，对密度实验结果做了简单分析； 2 ，在对分流模型、均流模型和漂移模型比较研究的基础上，最后确定漂移模型作 为三相流含水解释模型并建立三相流动状态下的漂移模型，并用其预测三相流含水率： 3 ，利用b p 人工神经网络的基本结构，对网络输入数据进行归一化处理，选取b p 网络的算法，对网络进行训练，建立b p 人工神经网络模型，最后对总流量进行预测。 4 ，结合模糊理论，构建模糊r b f 神经网络，建立基于r b f 下的三相分相含率及 流量的模糊辨识模型：根据测量获得的持水率、密度、流量、压力、温度等参数数据， 进行学习样集的选择、网络隐层节点数的确定、径向基函数的数据中心c i 及宽度6i 的 确定、权值修正算法等的研究，为生产测井资料解释提供了新的尝试： 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 神经网络一模糊理论基础 2 1 人工神经网络的基本原理 2 1 1 人工神经网络研究简史 2 1 1 1 人工神经网络国外发展情况 人工神经网络从开始研究到发展不是一帆风顺的，经历了兴起到低潮，再转入新的 高潮的曲折发展道路。下面按年代顺序介绍人工神经网络研究方面有代表性的工作，以 使读者对神经网络有一些粗略了解田】。 1 。初期阶段 1 9 世纪9 0 年代，美国心理学家w i l l i a mj a m e s 发表了心理学原理一书，论述 了相关学习、联想记忆的基本原理，对人脑功能作了创见性的工作。他指出：当前基本 的脑细胞曾经一起相继被激活过，其中一个受到刺激重新激活时，会将刺激传播到另一 个。同时，j a m e s 认为，在大脑皮层上任意点的刺激量，是其他所有发射点进入该点的 总和。1 9 1 3 年，人工神经系统第一个实践是r u s s e l l 描述的水力装置。1 9 4 3 年，美国 心理学家w s m c c u u o h 与数学家w h p i r t s 合作，用逻辑数学工具研究客观事件在形成 神经网络中的数学模型表达，从此开创了对神经网络的理论研究。他们首先提出了二值 神经元的m p 模型，论述了有一定数量输入作用下超过某一阙值，神经元才兴奋，突触 联系的神经元之间只有兴奋和抑制两种方式。 1 9 4 9 年，心理学家d o h e b b 出版行为构成一书，在该书中首先建立了被称为 h e b b 算法的连接权训练规则。他认为学习的过程就发生在两个神经细胞相互连接的突 触处，并首先提出了神经元权值的修改方案h e b b 学习规则至今都产生深刻影响。2 0 世 纪5 0 年代，f r o s e n b l a t 首次设计制作著名的感知器，提出了一种具有三层网络的结构， 第一次从理论研究转入工程实现阶段，从工程角度出发，研究了用信息处理神经网络模 型，这是一种学习和自组织的心理学模型，它基本符合神经学原理，尽管比较简单，却 具有神经网络的基本性质，如分布存储、并行处理、可学习性、连续计算等。这些神经 网络的特性与当时串行离散符号处理的电子计算机及相应的人工智能技术有本质的不 同，为此引起众多研究者的兴趣，在2 0 世纪6 0 年代掀起一次研究神经网络的高潮。 1 9 6 2 年，b e r n a r d w i d r o w 和m a r c j a n h o f f 提出了一种连续取值的线性加权求和阈值网络， 即自适应线性元件网络，也可以看成是感知器的变形，它成功地应用于自适应信号处理 和雷达天线控制等连续可调过程。他们在人工神经网络理论上创造了一种被人们熟知的 w i d r o w - h o f f 学习训练算法，即算法或l m s ( 最小均方) 算法，并用硬件电路实现人 7 2 神经网络模糊理论摹础 工神经网络方面的工作，为今天用大规模集成电路实现神经网络计算机奠定了基础。 2 ，低潮阶段 1 9 6 9 年，人工智能创造人之一m a r v i nm i n s k y 和s e y m o u rp a p e r t 出版一本名为感知 器的专著，书中指出线性感知器功能是有限的，简单的神经网络只能进行线性分类和 求解一阶问题，而不能进行非线性分类和解决比较复杂的高阶问题。他还指出，与高阶 问题相应的应该是具有隐含单元的多层神经网络。在当时的技术条件下，他们认为在加 隐含单元后，想找到一个多层网络的有效学习算法是极其困难的。由于微电子技术不发 达，用电子管或晶体管为基本元件，体积大、价格贵，当时用计算机实现大规模的神经 网络的研究是不可能的，更难制作可以实际应用的装置。又因串行计算机正处于迅速发 展时期，以符号逻辑处理方法的人工智能研究也取得很大成就，此时人工神经网络的研 究者们难以得到产业界的支持和响应，为神经网络提供的研究基金枯竭了，在这种情况 下，专家们不得不放弃神经网络领域的课题，使研究工作的发展进入了低潮时期，进展 极其缓慢。 虽然从事神经网络研究的人员和发表的论文大幅度减少，但仍然有学者继续进行研 究。1 9 6 9 年，美国波士顿大学自适应中心的s t e p h e no r o s s b e r g 和c a r p e n t e r 提出了著名 的自适应共振理论模型，其中论述到，若在全部神经结点中有一个结点特别兴奋，其周 围的所有结点将受抑制。此理论在当前的神经网络中仍然应用。 3 、复苏阶段 进入2 0 世纪7 0 年代，即使是处于低潮时期，仍有不少研究工作者坚持不懈地努力 工作，提出了各种不同的网络模型，增加网络的功能和各种学习算法的研究，为后来神 经网络理论、数学模型、网络结构体系等奠定一些基础。 1 9 7 0 年和1 9 7 3 年，日本学者k u n i h i k of n k u s h i m a 研究了视觉和脑的空间和时间的 人工神经系统，提出了神经认知网络理论及认识机能方面的模型。 1 9 7 2 年，芬兰的t k o h o n e i l 教授提出了自组织映射理论，并称神经网络结构为“联 想存储器”。同一时期，美国生理和心理学家j a n d c r s o n 提出另一个类似的神经网络， 称为“交互储存器”。他们在网络结构、学习算法和传递函数方面的技术几乎完全相同。 t k o h o n e n 的自组织映射模型是一种无导师学习网络，主要用于模式识别和分类、语言 识别等场合，随后还研究出了联想记忆网络。t k o h o n c n 主要是针对网络结构与训练算 法的生物仿真及模型的研究。 1 9 8 0 年，日本学者福岛邦彦发表的“新知识机”，他综合出一种具有进行模式识别 能力的神经网络模型。这种网络起初为自组织的无导师训练，于1 9 8 3 年改为有导师训 练，以便能更好地反映设计模式识别的工程师立场。福岛邦彦给出的神经认识机能识别 o 9 十个数字。 进入2 0 世纪7 0 年代后，科学取得了新的重大成果p f i g o g i n e 提出了非平衡系统的 自组织理论( 耗散结构理论) ，获得了诺贝尔奖。数理科学家研究非线性系统，发现诸 如“混沌”的动力学性质。h a k c n 研究了大量元件联合行动而产生有序的宏观表现，通 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 过元件之间的相互作用，系统结构由无序到有序，系统功能由简单到复杂，类似于生物 系统的进化和自组织过程以及认知系统的学习过程。又由于神经和脑科学研究方面，在 感觉系统特别是视觉研究中发现的侧抑制原理，感受野的概念。皮层的功能柱结构以及 信息的平行处理和层次加工的观点，被证明是神经系统处理信息的普遍原则。 被大家一致公认的神经网络研究复苏的主要标志是，1 9 8 2 年美国加州理工学院物理 学