利用模糊ISODATA聚类方法确定注采有效性

利用模糊ISODATA聚类方法确定注采有效性
王硕亮;姜汉桥;李俊键;丁帅伟;刘乐;胡景宏
【摘要】the low efficiency circulation of injected water in formation has seriously effected oil fields efficient development at the late development stage with high water cut. Profile control and water shutoff is an important measure for solving the low efficiency cycle of injected water, and how to select the favorable wells whose injected water cycles inefficiently is the key issue for water shut off and profile control. The present decision-making theory of Profile control and water shutoff disturbed by many artificial factors such as index weight and index boundary in RE decision, so how to judge the wells whose injected water circulation is inefficiently based on the existed preliminary information is the key point. This paper proposes a indicator system for judging low efficient cycle, and then determines whether there is a low efficient cycle and the level of the inefficient according to different dynamic data characteristics using ISODATA cluster analysis method. For the wells that is in invalid cycle be required to take the water profile control and water shutoff decision while the wells in low efficient cycle be suggested a further observation. Thus, this method provides a basis for choosing wells to conduct the profile control and water shutoff technology.%高含水油田进入开发后期,注入水多在地层中低效循环,严重影响油田的高效开发.有效解决注入水低效循环的重要措施是调剖堵水,而调剖堵水决策的关键问题就是如何选井.目前的调剖堵水决策理论人为因素干扰较多(如RE决策中的指标权重和指标界限等),如何根据目前的基本认识判
断出现低效循环的油水井成为一个关键问题.提出了一套适合于判断低效循环场的指标体系,然后利用ISODATA聚类分析方法,根据油水井不同的动态数据特征,判断每个并组是否出现了低效循环以及低效循环的级别,对已处于无效循环的井,建议进行调剖堵水,对处于低效循环的井,建议进一步观察.该研究为调剖堵水的选井问题提供了理论依据.
【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2011(033)005
【总页数】4页(P61-64)
【关键词】聚类分析;低效循环;大孔道;高含水油田;调剖堵水
【作者】王硕亮;姜汉桥;李俊键;丁帅伟;刘乐;胡景宏
【作者单位】中国地质大学能源学院,北京100083;中国石油大学石油工程学院,北京102249;中国石油勘探开发研究院采油所,北京 100083;中国石油大学石油工程学院,北京102249;胜利油田管理局黄河钻井总公司,山东东营257064;中国地质大学能源学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE341
国内陆上砂岩油田由于其渗透率的差异性和油水的重力分异作用，造成油田开发中注入水优先沿着河道砂岩主体带底部向油井突进，并且在长期注水冲刷条件下，逐渐形成油、水井间相互连通的高渗透强水洗大孔道。

大孔道形成后，注入水主要沿大孔道流动，无法再起到驱动剩余油的目的。

采用注采有效性的概念来对注入水的利用效率进行描述。

如果注入水利用率非常低，基本没有起到驱替原油的作用，则
认为注采井间存在大孔道，注采无效；如果注入水利用率虽然较高，但变差的速度非常快，则认为大孔道正处于形成阶段，注采低效。

如果注入水利用率较高且平稳，则认为生产正常，对于注采无效的井，应立刻采取调剖堵水措施，对于注采低效的井，则应进一步密切观察。

因此对注采有效性的识别和判断将为油田实施降水增油措施具有指导意义。

模糊聚类分析是依据客观事物间的特征、亲疏程度和相似性，通过建立模糊相似关系对客观事物进行分类的一种数学方法。

大量室内实验和动态分析表明：易形成低效循环场的井，其地质构造上具有一定的相似性；低效循环场形成后，其动态表现上也趋于一致。

笔者利用模糊ISODATA聚类方法，建立了一套确定注入水低效循环效率级别的有效方法。

1.1 模糊ISODATA分析理论
设被分类对象集合为U={u1,u2,…,un}，其中每一样本ui均有m个特征指标，因
而其特征指标矩阵为［1-2］
现将对象集U分成c类（2≤c≤n），则c个聚类中心向量构成的矩阵为
为了获取一个最佳的模糊分类，可按照一定的聚类准则，从模糊分类空间Mfc中
优选一个最好的模糊分类。

1.2 聚类准则
求出适当的模糊分类矩阵R及聚类中心矩阵V，使目标函数J（R，V）达到极小
值［3］
式中，q为加权指数，控制模糊类间的分享程度。

Bezdek通过试验模拟，证明参数q以采用2为优；为对象uk与第i类聚类中心向量Vi的距离。

在应用中，常
用的距离为Chebvshev距离［4］。

1.3 最佳模糊分类矩阵与最佳聚类中心求解
一般而言，求解式（1）给出的目标函数J（R，V）均较为困难［5］，通常采用
迭代运算求出近似解。

Bezdek研究表明：当q≥1，uk≠Vi时，可以通过以下方
式进行迭代运算，且运算过程收敛，具体步骤如下：
（1）选定分类数c（2≤c≤n），取一初始模糊分类矩阵R(0)∈Mfc，逐步迭代，
l=0，1，2…。

（2）对于R（l），计算聚类中心矩阵
（3）修正模糊分类矩阵R（l），取
（4）比较R（l）与R（l+1），若对取定精度ε＞0，有max{}≤ε，则R（l+1）
和V（l）即为所求，停止迭代；否则，l=l+1，转（2）继续迭代。

1.4 聚类效果的检验
由于应用模糊ISODATA方法获得的模糊聚类是相对于分类数c、初始模糊分类矩阵R（0）和参数q的局部最优解。

如果改变c、R（0）、q，则可以得到许多局
部最优解。

故需引入参数对聚类效果进行检验。

（1）利用分类系数进行检验。

分类系数
当R∈Mc时，Fc（R）=1。

因此，Fc（R）越接近1，聚类效果越好。

（2）利用平均模糊熵进行检验，平均模糊熵
平均模糊熵愈接近0，聚类效果越好。

2.1 指标筛选原则
指标筛选应遵循以下原则［6-7］：
（1）数据量丰富、来源充足。

（2）选取的参数与形成的大孔道有直接相关性。

（3）参数录取方便，无需复杂测试。

2.2 静态指标的选取
（1）渗透率级差。

渗透率级差越高的井，表明高渗层的渗透率比平均渗透率越高，注入水多主要从高渗层流过，对岩石的冲刷严重，也越容易形成大孔道。

（2）有效厚度。

射开层位有效厚度较大的井，受油水重力分异作用明显。

这些井
组之间的储层经过注入水的长期冲刷，容易产生低效循环条带。

（3）单层突进系数。

储层非均质性是储层的基本性质，单层突进系数反映了储层垂向上非均质性的大小。

由于地层纵向和横向非均质，使注入水沿高渗透条带突进，形成次生大孔道，并逐渐加剧层内、层间矛盾，使高渗透条带形成大孔道，从而降低注采有效性。

2.3 动态指标的选取
2.3.1 注水井
（1）日注水量变化率。

日注水量变化率越大的井，其中存在大孔道的可能性也越大。

（2）视吸水指数变化率。

视吸水指数指单井日注水量与井口注水压力的比值。

视吸水指数在大孔道形成前变化平稳，大孔道形成后视吸水指数突然上升，对于某个特定的时间点来说，视吸水指数越大的井，存在大孔道的可能性也越大［8-9］。

（3）单位厚度累积注水量。

单位厚度累积注水量越大，表示油层吸水能力越强，存在大孔道的可能性也越大。

2.3.2 采油井
（1）单位厚度累积产液量。

单位厚度累积产液量越大，表示油层吸水能力越高，越有可能存在大孔道。

（2）日产液量变化率。

日产液量变化率越大的井，越有可能存在大孔道。

（3）含水率。

对于各采油井来说，含水率越高，存在大孔道的可能性越大。

（4）视产液指数变化率。

视产液指数在优势渗流通道出现以前变化平稳，优势窜流通道形成以后大幅度上升，油井产液量和含水率都大幅度上升［10-11］。

胜利油田S断块有4套含油砂层组，14个含油小层，小层间基本有稳定的隔层，其中砂3-1平面矛盾严重，选取此油层作为研究对象，孔隙度分布范围27.7%～33.1%，平均31.7%。

平均渗透率为1039 ×10-3μm2，垂直渗透率与水平渗透
率之比为0.98，渗透率级差5.0，属于高渗油藏。

油藏原始地层压力18.67 MPa，地饱压差为17.06 MPa，属常温常压系统。

目前生产状况见表1。

该区块有6口采油井、4口注水井。

由于油藏形状和储层物性的差异，东南部井距较大，西北部井距较小。

按照上述计算步骤，统计相关基础资料，汇总计算得到判断注采有效性所需的相应指标，各个指标值如表2、表3所示。

由各个指标数据构成的特征指标矩阵U为
通过对特征指标矩阵进行聚类计算，可得到目前状态的注采有效性结果，如表4
所示。

从计算结果可以看出，处于无效循环的水井有Y8-61，油井有Y8-10和Y8X5，
应对这3口井立即采取调剖堵水等控油稳水措施。

处于低效循环的水井有Y8-52，油井有Y8-64、Y8N20，应对这3口井密切关注，这3口井在未来一段时间内有
可能出现含水猛增的状况。

根据大孔道形成的地质因素和开发动态表现，给出了一套判断注入水循环效率的指标体系。

采用模糊ISODATA聚类方法，判定了油藏目前阶段各口井的注入水循环效率，为后期油田开发调整提供了有力依据。

对存在无效循环的井，建议立即实施调剖堵水等作业措施。

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