基于深度全连接神经网络的储层有效砂体厚度预测.pdf
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1、河道砂是重要的油气储集体之一,实现砂体厚度的定量预测是提高油气开发效率的关键.随着目标储层非匀质性的增强,地震属性与储层岩性、物性、孔隙流体之间的关系更趋复杂.如何在地质信息有限的情况下实现高效且智能的复杂储层定量预测是目前储层预测领域的热点和难点.为了实现对致密砂岩储层的高精度智能化预测,本文提出基于深度全连接神经网络的储层有效砂体厚度预测方法.该方法通过构建多层堆叠的全连接神经网络逐层优化针对储层有效砂体厚度预测的地震属性,并将优化后的属性直接映射为砂体厚度.首先针对模型数据分析了训练样本对全连接神经网络建模的影响,然后在小样本情况下分别对比了该网络的深、浅层形态在网络规模大于训练样本数目
2、及网络规模小于训练样本数目时的表现差异,发现当训练样本为小样本时,深层网络表现优于浅层网络,前提是训练样本数目大于网络规模.最后,我们将深度全连接神经网络用于胜利油田某区实际数据的有效砂体厚度预测,应用效果显示该方法对致密砂岩储层中m左右的砂体实现了有效识别,体现了该端到端智能建模方法从地震属性中挖掘潜藏地质信息的能力,证实了其在储层定量预测中的有效性.关键词:深度全连接神经网络;致密砂岩;储层参数;地震属性;有效砂体厚度;小样本d o i:/j c n k i j j u e s e 中图分类号:P ;T P 文献标志码:A收稿日期:作者简介:贺婷(),女,硕士,主要从事地质遥感、G I S
3、应用、地球物理探测等工作,E m a i l:HT c o m基金项目:江西省地质勘查基金管理中心项目();江西省地质环境项目();东华理工大学研究生创新基金项目(D Y C A )S u p p o r t e db yt h eP r o j e c to fG e o l o g i c a lE x p l o r a t i o nF u n d M a n a g e m e n tC e n t e ro fJ i a n g x iP r o v i n c e(),t h eG e o l o g i c a lE n v i r o n m e n tP r o j e c
4、 to fJ i a n g x iP r o v i n c e()a n dt h eP o s t g r a d u a t eI n n o v a t i o nF o u n d a t i o no fE a s tC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(D Y C A )T h i c k n e s sP r e d i c t i o no fR e s e r v o i rE f f e c t i v eS a n dB o d yb yD e e pF u l l yC o n n e c t e dN
5、 e u r a lN e t w o r kH eT i n g,Z h o uN i n g,WuX i a o y uN u c l e a rG e o l o g yB r i g a d eo fJ i a n g x iG e o l o g i c a lB u r e a u,Y i n g t a n ,J i a n g x i,C h i n aG e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gB r i g a d e,J i a n g x iP r o v i n c i a lB u r e
6、 a uo fG e o l o g y,N a n c h a n g ,C h i n aA b s t r a c t:C h a n n e l s a n d i so n eo f t h e i m p o r t a n t o i l a n dg a s r e s e r v o i r s T h eq u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o no fs a n db o d yt h i c k n e s si st h ek e yt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fo i
7、la n d g a sd e v e l o p m e n t W i t ht h ee n h a n c e m e n to fn o n h o m o g e n e i t yo ft a r g e tr e s e r v o i r,t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns e i s m i ca t t r i b u t ea n dr e s e r v o i r l i t h o l o g y,p h y s i c a l p r o p e r t ya n dp o r e f l u i db e c
8、o m e sm o r e c o m p l i c a t e d H o wt oa c h i e v e e f f i c i e n ta n d i n t e l l i g e n tq u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o no fc o m p l e xr e s e r v o i r su n d e rt h ec o n d i t i o no fl i m i t e dg e o l o g i c a li n f o r m a t i o n i sc u r r e n t l yah o ta n dd
9、 i f f i c u l tt o p i ci nt h ef i e l do fr e s e r v o i rp r e d i c t i o n T oa c h i e v eh i g ha c c u r a c ya n d i n t e l l i g e n tp r e d i c t i o no f t h et i g h ts a n d s t o n er e s e r v o i r,ar e s e r v o i re f f e c t i v es a n dt h i c k n e s sp r e d i c t i o nm e
10、 t h o db a s e do nd e e pf u l l yc o n n e c t e dn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e di nt h i sp a p e r T h em e t h o dc o n s t r u c t sa m u l t i l a y e rs t a c k e df u l l yc o n n e c t e d n e u r a ln e t w o r kt oo p t i m i z et h es e i s m i ca t t r i b u t e sp r e d i
11、c t e df o rt h ee f f e c t i v es a n dt h i c k n e s so ft h er e s e r v o i rl a y e rb yl a y e r,a n d m a p st h eo p t i m i z e da t t r i b u t e sd i r e c t l yt ot h es a n dt h i c k n e s s W ef i r s ta n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft r a i n i n gs a m p l e so nf u l l yc o
12、 n n e c t e dn e u r a ln e t w o r k m o d e l i n g,a n dt h e nc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e e pa n ds h a l l o wm o r p h o l o g yo f t h i sn e t w o r k i nt h ec a s eo f s m a l l s a m p l e sw h e nt h em o d e l s i z e i s l a r g e r t h a nt h en u m b e ro f t
13、r a i n i n gs a m p l e sa n dt h em o d e l s i z e i s s m a l l e r t h a nt h en u m b e ro f t r a i n i n gs a m p l e s,a n d f i n dt h a t t h ed e e pn e t w o r ko u t p e r f o r m st h es h a l l o w o n ew h e nt h et r a i n i n gs a m p l e sa r es m a l l,p r o v i d e dt h a tt h
14、en u m b e ro f t r a i n i n gs a m p l e si sl a r g e rt h a nt h em o d e ls i z e F i n a l l y,w ea p p l yt h ed e e pf u l l yc o n n e c t e dn e u r a ln e t w o r kt ot h ee f f e c t i v e s a n db o d y t h i c k n e s sp r e d i c t i o n f r o mr e a l d a t ao fS h e n g l i o i l f
15、i e l d,a n d t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h em e t h o da c h i e v e se f f e c t i v e i d e n t i f i c a t i o no f s a n db o d i e sa r o u n dmi nat i g h t s a n d s t o n er e s e r v o i r,r e f l e c t i n gt h ea b i l i t yo ft h i se n d t o e n di n t e l l
16、 i g e n tm o d e l i n gm e t h o dt om i n el a t e n tg e o l o g i c a l i n f o r m a t i o nf r o ms e i s m i ca t t r i b u t e s,t h u sc o n f i r m i n gi t se f f e c t i v e n e s si nq u a n t i t a t i v er e s e r v o i rp r e d i c t i o n K e yw o r d s:d e e pf u l l yc o n n e c
17、t e dn e u r a ln e t w o r k;t i g h ts a n d s t o n e;r e s e r v o i rp a r a m e t e r s;s e i s m i ca t t r i b u t e s;e f f e c t i v es a n db o d yt h i c k n e s s;s m a l l s a m p l e引言物性预测作为储层预测的重要内容,是进行油气田 开 发、油 气 储 量 估 算 和 井 位 确 定 的 重 要 依据.随着勘探领域的发展,国内外研究者对储层物性预测开展了深入的研究工作,并取得了众多研究成
18、果.对前人研究成果进行总结可知,现有储层物性预测方法大致可概括为类:第一类是基于地质统计的井间插值方法,第二类是以多元回归为主的线性回归方法,第三类是以神经网络、支持向量机为主的非线性回归方法.以上预测方法的研究思路为:应用数学手段在井旁建立井数据与地震数据的映射关系,再利用该数学关系将远井区地震属性直接转化为储层参数,从而达到远井区储层参数预测的目的.在实际应用中,现有方法的预测效果往往取决于敏感属性.当储层均质、物性关系简单时,将好的敏感属性应用于简单的数学映射方法即能达到很好的预测效果.随着地震数据的增多以及储层非均质性的增强,敏感属性优化及储层定量预测的难度随之增大:前者亟待提高属性优
19、化的智能化,以降低人工成本及人为因素影响;后者则需要映射能力更强的方法来实现地质数据与地震数据间更复杂非线性关系的拟合.深度全连接神经网络具有特征自学习能力及可调的非线性映射能力,能就预测目标实现智能储层定量预测,适用于多属性复杂储层参数预测.为此,本文从训练样本的建立、模型结构的搭建、模型超参数的确定三部分概述深度全连接神经网络的建模过程,并在模型试算部分通过对比该全连接神经网络在深、浅层情况下的预测效果,分析其在有限训练样本情况下的适用条件.最后,将深度全连接神经网络用于实际储层砂体厚度预测.理论与方法人工神经网络是通过模拟人脑神经元的信息处理机制而构建的一种机器学习模型,具有自学习、自适
20、应及良好的非线性映射能力等优点.但网络层数的增加会使网络训练出现梯度消失现象,导致权值无法更新,网络因此丧失学习能力,应用随之受限.第期 贺婷,等:基于深度全连接神经网络的储层有效砂体厚度预测 年H i n t o n等 提出深度全连接神经网络梯度消失问题的解决方案,加之计算机运算性能的提高和运算代价的降低,深度全连接神经网络的训练成为可能.神经网络在经历了因“过拟合”、“梯度消失”等问题导致的没落后,以深度学习的名义再次回归.相较于传统浅层全连接神经网络(网络的隐藏层数不大于一),深度全连接神经网络的多层堆叠结构(图)使计算机具备由简单概念构建复杂概念的能力,这也是深度学习能实现特征自主优化
21、的原因所在.在视觉及图片识别等深度学习应用的前沿领域,深度全连接神经网络的深度由最初的大于层(单隐层)发展到 年的上百层,到 年时已达上千层.得益于当今庞大的数据量及计算机以指数级增长的超算能力,智能计算在近年来得到了飞速发展.在深度学习的各个传统应用领域,网络规模应目的需求不断扩大,以实现更复杂的关系映射.但在具体专业领域,如地震储层预测领域,由于领域自身的数据特点,使得以深度学习为主的智能学习方法的直接应用效果不佳.具体如,地震属性敏感的不一致性决定了储层预测无法跨工区,甚至跨目的层实现;再如,井位的非随机性必然会导致基于已知井位数据的预测结果存在局部偏差.概括而言,储层的复杂性、井数据的
22、有限性都使储层预测领域难以获得如图片识别领域那样上万,甚至上百万、上千万的训练数据.在这种小样本 数据情况下,实际预测问题中常出现浅层全连接神经网络预测效果优于深度全连接神经网络,甚至深度全连接神经网络无法适用的情况.分析样本数目与网络规模之间的关系,以指导建立匹配样本数目的深度全连接神经网络是解决该问题的关键.训练样本的建立为了充分挖掘地震数据中蕴含的地质信息,首先尽可能多地从地震数据中提取多种地震属性,对应地震 数 据 中 每 个 采 样 点,得 到 属 性 向 量xx,x,xkT,xRk,k为提取的属性数目.对属性 向 量x去 冗 余,得 到 新 的 属 性 向 量xx,x,xnT,xR
23、n,nk.用井数据、地质数据等先验信息对x进行标定,得到最终的训练样本x(i),y(i)()mi.其中:y为井位处已知的储层砂体厚度;m为样本总数.训练样本的质量决定网络预测结果的可靠性和有效性,因此准确的层位拾取和井震标定是建立有效训练样本的关键,即二者是确保用于网络学习的训练样本能真实反映地震数据与储层参数之间相关性的关键.a 内部函数运算;b 外部架构.据文献 修编.x(x,x,xn)T,为属性向量;w(w,w,wn)T,为权重向量;b为偏置系数;f为激活函数;y为输出值.图神经网络的拓扑结构F i g T o p o l o g yo fan e u r a ln e t w o r
24、k吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 卷模型结构的搭建 年H o r n i k 提出万能近似定理,证明三层B P(b a c kp r o p a g a t i o n)神经网络可对任意闭区间内的连续函数实现万能逼近,只是该定理未对网络规模进行说明.现有确定隐藏层神经元数目的经验公式多是针对训练样本无限多且神经网络结构为单隐层的情况.在实际应用中,按不同经验公式计算所得的隐藏层神经元数目往往相差很大,实际指导意义不够,对于有限样本与深度全连接神经网络搭建的讨论则更为缺少.因深度全连接神经网络模型结构由网络层数和各层神经元数目决定,故本文依据网络中相异网络参数的数目对其规模进行量
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