創(chuàng)新點

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，驗證Transformer架構(gòu)捕捉時間序列長期依賴性的有效性，提出基于Transformer架構(gòu)的油井重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測模型，在理論上為油氣大數(shù)據(jù)分析開辟了一個新的深度學(xué)習(xí)路徑。基于Transformer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)量深度時間序列預(yù)測方法綜述

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. 中國石油西部鉆探工程有限公司；3. 長沙市深地資源能源開發(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)量深度時間序列預(yù)測方法綜述[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，我國非常規(guī)原油產(chǎn)量不及總產(chǎn)油量的2%，老區(qū)在較長時間內(nèi)仍然是穩(wěn)產(chǎn)主力。重復(fù)壓裂是儲層增產(chǎn)改造的重要技術(shù)組成，壓后產(chǎn)量的準(zhǔn)確預(yù)測是重復(fù)壓裂目標(biāo)井正確選擇的關(guān)鍵。由于儲層內(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)驗式或數(shù)值模擬的壓后產(chǎn)量預(yù)測方法在老區(qū)的適用性受限，深度學(xué)習(xí)模型是一個優(yōu)秀的選項。傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)方法(如RNN、LSTM)存在梯度消失、長期依賴建模能力不足等局限，難以應(yīng)對石油時間序列數(shù)據(jù)的高維、非平穩(wěn)及噪聲干擾等特性。Transformer架構(gòu)憑借多頭注意力機制與并行計算能力，可有效捕捉產(chǎn)量時間序列中的長短期依賴關(guān)系。系統(tǒng)回顧重復(fù)壓裂技術(shù)沿革，以及深度時間序列預(yù)測模型研究進展，提出構(gòu)建基于Transformer架構(gòu)的低效井重復(fù)壓裂產(chǎn)量深度時間序列預(yù)測模型，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。展望未來研究方向：一是針對計算成本控制，建議優(yōu)化經(jīng)典Transformer架構(gòu)的注意力模塊、配合時間序列分解技術(shù)，實現(xiàn)低算力成本的重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測；二是針對多區(qū)塊協(xié)同選井，建議引入領(lǐng)域自適應(yīng)理論，從對抗領(lǐng)域自適應(yīng)或偽標(biāo)簽領(lǐng)域自適應(yīng)入手，開發(fā)具備遷移學(xué)習(xí)能力的Transformer骨干架構(gòu)。

引言

當(dāng)前，我國非常規(guī)原油產(chǎn)量不及總產(chǎn)油量的2%，老區(qū)在較長時間內(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)壓裂就是對已經(jīng)壓裂改造過的井再度實施壓裂改造，可以恢復(fù)由于支撐劑嵌入、縫周結(jié)垢、細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層，是常規(guī)儲層改造手段的重要補充。

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)，很難用巖心分析來推斷整個區(qū)塊的地質(zhì)特征。由于儲層異質(zhì)性和井間干擾，井筒狀態(tài)需較長時間才能穩(wěn)定，壓力測試通常難以得出明確的結(jié)論。若干老區(qū)經(jīng)過五六十年的開采，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。低滲砂礫巖儲層(本研究的目標(biāo)儲層)存在大量可運移多粒徑顆粒，幾乎無法找到解析解來預(yù)測此類儲層中的重復(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)缺失的情況下對壓裂井產(chǎn)能進行預(yù)測，深度學(xué)習(xí)模型以其獨特的非線性關(guān)系捕捉能力和不依賴物理模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動機制而成為一個優(yōu)秀的選項。

但是，石油數(shù)據(jù)樣本多呈現(xiàn)高維、非平穩(wěn)等特征，且通常含有過多的噪音、異常或缺失值，傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)模型不足以準(zhǔn)確建模石油時間序列數(shù)據(jù)的上述復(fù)雜性。同時，傳統(tǒng)深度學(xué)習(xí)模型在處理長期依賴或捕捉復(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)問題的通用逼近器，Transformer天然地適用于時間序列預(yù)測，注意力機制允許Transformer無視距離、任意地訪問歷史中的任何部分，這使其更適合抓住具有長期依賴性的重復(fù)模式。

筆者系統(tǒng)回顧重復(fù)壓裂技術(shù)沿革，以及深度時間序列預(yù)測模型研究進展，提出“繞過復(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”。基于準(zhǔn)噶爾盆地某油田W區(qū)塊的歷史產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行案例研究。在高精度重復(fù)壓裂產(chǎn)量預(yù)測算法的支持下，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比

圖 2 低效油井重復(fù)壓裂前后的產(chǎn)量對比示意

圖 3 基于聚類分析的重復(fù)壓裂目標(biāo)井推薦

圖 4 序列到序列計算示意

圖 5 RNN中信息的順序傳遞

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

圖 7 Softmax在注意力機制中的執(zhí)行過程

圖 8 目前主要深度時間序列預(yù)測模型(基于RNN和Transformer)

圖 9 Transformer架構(gòu)

圖 10 多頭注意力的計算流程

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

圖 12 滑動窗口示意

圖 13 滑動窗口Transformer的損失曲線及產(chǎn)量預(yù)測結(jié)果

圖 14 9口井的擬合預(yù)測結(jié)果

圖 15 9口井的誤差驗證結(jié)果

圖 16 6口新壓井的產(chǎn)量預(yù)測

第一作者

賈靖（1994—），男，甘肅金昌人，博士研究生。研究方向為儲層增產(chǎn)改造。

通訊作者

李帝銓（1982—），男，廣西北流人，中南大學(xué)二級教授，“升華學(xué)者計劃”學(xué)科領(lǐng)軍人才，博士。長期致力于電磁勘探方法理論與探測技術(shù)的研究，擔(dān)任教育部重點實驗室副主任，中國地球物理學(xué)會地球物理技術(shù)委員會委員、國家礦業(yè)青年科學(xué)家論壇學(xué)術(shù)委員會執(zhí)行主席。研發(fā)的方法技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，效果顯著，曾獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎1項（R2）、省部級一等獎2項（R1）、中國青年科技獎（2022 年）。

研究方向

依托中南大學(xué)國家重點學(xué)科“地球探測與信息技術(shù)”、國家一流本科專業(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”團隊，聚焦智能廣域電磁探測系統(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、智能感知平臺建設(shè)等。

主要成果

近年來，團隊承擔(dān)了深地國家重大專項、國家重點研發(fā)計劃、重大科研儀器設(shè)備研制專項等國家重大項目10項；發(fā)表國內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)論文50余篇、授權(quán)發(fā)明專利20余項、出版專著3本；獲得國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎1項，中國青年科技獎1項、何梁何利獎1項、中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎2項、湖南省青年科技獎1項。

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、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊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，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國煤炭科工集團主管、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)運而生。《綠色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟政策與評價等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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