李帝銓教授團(tuán)隊(duì)：低效井重復(fù)壓裂產(chǎn)量深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法綜述

創(chuàng)新點(diǎn)

油氣行業(yè)內(nèi)首次將Transformer架構(gòu)引入重復(fù)壓裂井的產(chǎn)量預(yù)測(cè)，驗(yàn)證Transformer架構(gòu)捕捉時(shí)間序列長(zhǎng)期依賴(lài)性的有效性，提出基于Transformer架構(gòu)的油井重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，在理論上為油氣大數(shù)據(jù)分析開(kāi)辟了一個(gè)新的深度學(xué)習(xí)路徑?；赥ransformer架構(gòu)，嘗試建立適應(yīng)老區(qū)重復(fù)壓裂批量化快速精確選井的理論及方法體系，力求為老區(qū)持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供全新視角與解決方案。

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低效井重復(fù)壓裂產(chǎn)量深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法綜述

作者：賈靖^{1, 2}, 樊慶虎, 王李昌^{1, 3}, 李帝銓

單位：1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院；2. 中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司；3. 長(zhǎng)沙市深地資源能源開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心

引用格式：

賈靖，樊慶虎，王李昌，等.低效井重復(fù)壓裂產(chǎn)量深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法綜述[J].綠色礦山，2025，3(1)：14?36.JIA Jing，F(xiàn)AN Qinghu，WANG Lichang，et al. Prediction of post-refracture production of low-productivitywells using deep time series models: A critical review[J]. Journal of Green Mine，2025，3(1)：14?36.

摘要

當(dāng)前，我國(guó)非常規(guī)原油產(chǎn)量不及總產(chǎn)油量的2%，老區(qū)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是穩(wěn)產(chǎn)主力。重復(fù)壓裂是儲(chǔ)層增產(chǎn)改造的重要技術(shù)組成，壓后產(chǎn)量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是重復(fù)壓裂目標(biāo)井正確選擇的關(guān)鍵。由于儲(chǔ)層內(nèi)部的不連續(xù)界面、孔滲異質(zhì)性和關(guān)鍵油藏參數(shù)缺失等因素的影響，傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)式或數(shù)值模擬的壓后產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法在老區(qū)的適用性受限，深度學(xué)習(xí)模型是一個(gè)優(yōu)秀的選項(xiàng)。傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法(如RNN、LSTM)存在梯度消失、長(zhǎng)期依賴(lài)建模能力不足等局限，難以應(yīng)對(duì)石油時(shí)間序列數(shù)據(jù)的高維、非平穩(wěn)及噪聲干擾等特性。Transformer架構(gòu)憑借多頭注意力機(jī)制與并行計(jì)算能力，可有效捕捉產(chǎn)量時(shí)間序列中的長(zhǎng)短期依賴(lài)關(guān)系。系統(tǒng)回顧重復(fù)壓裂技術(shù)沿革，以及深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型研究進(jìn)展，提出構(gòu)建基于Transformer架構(gòu)的低效井重復(fù)壓裂產(chǎn)量深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，并在準(zhǔn)噶爾盆地某油田W區(qū)塊的歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)上進(jìn)行了案例研究。研究是構(gòu)建適應(yīng)老區(qū)重復(fù)壓裂批量化快速精確選井的理論及方法體系的創(chuàng)新嘗試，力求為老區(qū)持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供全新視角與解決方案。展望未來(lái)研究方向：一是針對(duì)計(jì)算成本控制，建議優(yōu)化經(jīng)典Transformer架構(gòu)的注意力模塊、配合時(shí)間序列分解技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低算力成本的重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測(cè)；二是針對(duì)多區(qū)塊協(xié)同選井，建議引入領(lǐng)域自適應(yīng)理論，從對(duì)抗領(lǐng)域自適應(yīng)或偽標(biāo)簽領(lǐng)域自適應(yīng)入手，開(kāi)發(fā)具備遷移學(xué)習(xí)能力的Transformer骨干架構(gòu)。

引言

當(dāng)前，我國(guó)非常規(guī)原油產(chǎn)量不及總產(chǎn)油量的2%，老區(qū)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是穩(wěn)產(chǎn)主力，低效油井重復(fù)壓裂是提高原油采收率的重要手段。重復(fù)壓裂就是對(duì)已經(jīng)壓裂改造過(guò)的井再度實(shí)施壓裂改造，可以恢復(fù)由于支撐劑嵌入、縫周結(jié)垢、細(xì)顆粒堵塞或巖石蠕變等導(dǎo)致的裂縫導(dǎo)流能力下降，亦可能制造新裂縫、激活天然裂縫或溝通更大范圍的儲(chǔ)層，是常規(guī)儲(chǔ)層改造手段的重要補(bǔ)充。

重復(fù)壓裂成功的前提是選擇正確的井，選擇正確井的關(guān)鍵是精確預(yù)測(cè)壓裂井的壓后產(chǎn)量。天然地層的井間地質(zhì)條件大多不連續(xù)，很難用巖心分析來(lái)推斷整個(gè)區(qū)塊的地質(zhì)特征。由于儲(chǔ)層異質(zhì)性和井間干擾，井筒狀態(tài)需較長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定，壓力測(cè)試通常難以得出明確的結(jié)論。若干老區(qū)經(jīng)過(guò)五六十年的開(kāi)采，油藏特征參數(shù)已不可得，重新勘探或原位取心也不可能，參數(shù)的缺失制約了數(shù)值模擬工具的使用。低滲砂礫巖儲(chǔ)層(本研究的目標(biāo)儲(chǔ)層)存在大量可運(yùn)移多粒徑顆粒，幾乎無(wú)法找到解析解來(lái)預(yù)測(cè)此類(lèi)儲(chǔ)層中的重復(fù)壓裂井產(chǎn)量。在諸多限制之下，需要尋找某些方法在油藏特征參數(shù)缺失的情況下對(duì)壓裂井產(chǎn)能進(jìn)行預(yù)測(cè)，深度學(xué)習(xí)模型以其獨(dú)特的非線(xiàn)性關(guān)系捕捉能力和不依賴(lài)物理模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制而成為一個(gè)優(yōu)秀的選項(xiàng)。

但是，石油數(shù)據(jù)樣本多呈現(xiàn)高維、非平穩(wěn)等特征，且通常含有過(guò)多的噪音、異?；蛉笔е担瑐鹘y(tǒng)深度學(xué)習(xí)模型不足以準(zhǔn)確建模石油時(shí)間序列數(shù)據(jù)的上述復(fù)雜性。同時(shí)，傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)模型在處理長(zhǎng)期依賴(lài)或捕捉復(fù)雜模式等方面也存在限制。2017年，VASWANI等提出Transformer架構(gòu)。作為序列到序列(Seq2seq)問(wèn)題的通用逼近器，Transformer天然地適用于時(shí)間序列預(yù)測(cè)，注意力機(jī)制允許Transformer無(wú)視距離、任意地訪(fǎng)問(wèn)歷史中的任何部分，這使其更適合抓住具有長(zhǎng)期依賴(lài)性的重復(fù)模式。

筆者系統(tǒng)回顧重復(fù)壓裂技術(shù)沿革，以及深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型研究進(jìn)展，提出“繞過(guò)復(fù)雜數(shù)學(xué)物理分析，從能夠精確掌握的產(chǎn)量數(shù)據(jù)入手，以高精度的產(chǎn)量預(yù)測(cè)和高魯棒性的樣本數(shù)據(jù)處理方法為基礎(chǔ)，從數(shù)據(jù)中挖掘剩余油”?；跍?zhǔn)噶爾盆地某油田W區(qū)塊的歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行案例研究。在高精度重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測(cè)算法的支持下，嘗試構(gòu)建適應(yīng)老區(qū)重復(fù)壓裂批量化快速精確選井的理論及方法體系，力求為老區(qū)持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)提供全新視角與解決方案。

部分圖片

圖 1 3種典型選井方法的效果對(duì)比

圖 2 低效油井重復(fù)壓裂前后的產(chǎn)量對(duì)比示意

圖 3 基于聚類(lèi)分析的重復(fù)壓裂目標(biāo)井推薦

圖 4 序列到序列計(jì)算示意

圖 5 RNN中信息的順序傳遞

圖 6 長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖 7 Softmax在注意力機(jī)制中的執(zhí)行過(guò)程

圖 8 目前主要深度時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型(基于RNN和Transformer)

圖 9 Transformer架構(gòu)

圖 10 多頭注意力的計(jì)算流程

圖 11 本研究深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖 12 滑動(dòng)窗口示意

圖 13 滑動(dòng)窗口Transformer的損失曲線(xiàn)及產(chǎn)量預(yù)測(cè)結(jié)果

圖 14 9口井的擬合預(yù)測(cè)結(jié)果

圖 15 9口井的誤差驗(yàn)證結(jié)果

圖 16 6口新壓井的產(chǎn)量預(yù)測(cè)

第一作者

賈靖（1994—），男，甘肅金昌人，博士研究生。研究方向?yàn)閮?chǔ)層增產(chǎn)改造。

通訊作者

李帝銓（1982—），男，廣西北流人，中南大學(xué)二級(jí)教授，“升華學(xué)者計(jì)劃”學(xué)科領(lǐng)軍人才，博士。長(zhǎng)期致力于電磁勘探方法理論與探測(cè)技術(shù)的研究，擔(dān)任教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)地球物理技術(shù)委員會(huì)委員、國(guó)家礦業(yè)青年科學(xué)家論壇學(xué)術(shù)委員會(huì)執(zhí)行主席。研發(fā)的方法技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，效果顯著，曾獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（R2）、省部級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)（R1）、中國(guó)青年科技獎(jiǎng)（2022 年）。

研究方向

依托中南大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科“地球探測(cè)與信息技術(shù)”、國(guó)家一流本科專(zhuān)業(yè)“地球物理學(xué)”以及“雙一流”建設(shè)學(xué)科“地球科學(xué)”，建設(shè)“深地智能感知”團(tuán)隊(duì)，聚焦智能廣域電磁探測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、智能感知技術(shù)研發(fā)、智能數(shù)據(jù)處理與解譯、智能感知平臺(tái)建設(shè)等。

主要成果

近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了深地國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重大科研儀器設(shè)備研制專(zhuān)項(xiàng)等國(guó)家重大項(xiàng)目10項(xiàng)；發(fā)表國(guó)內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)論文50余篇、授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)、出版專(zhuān)著3本；獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)青年科技獎(jiǎng)1項(xiàng)、何梁何利獎(jiǎng)1項(xiàng)、中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、湖南省青年科技獎(jiǎng)1項(xiàng)。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨宮在芹

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為：CN10-1912/TD，ISSN號(hào)：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開(kāi)采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評(píng)價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話(huà)： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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