1、基于数值计算和遗传算法的试井软件平台设计与实现摘要本文主要研究内容是现代试井分析软件平台中核心应用算法的分析及其实现，为油田勘探与开发的各个阶段，提供油藏物性参数，掌握油藏和油井的产能水平、分析增产措施的效果和井筒受污染程度，具有明确的工程应用背景。论文首先介绍了试井分析的基本理论知识、试井物理模型和具体试井模型。其次着重分析、验证、设计和实现了试井分析和解释中所应用到的核心算法，包括：测试数据压力史曲线预处理算法，曲线拟合和参数估计的遗传算法、Gauss-Newton 法、 Marquardt 法、LM 算法，以及混合遗传和数值算法。最后将以上算法集成于试井分析软件平台，设计实现了人机交互界
2、面，完成了试井软件平台Swift 的构建、设计和实现。关键词： 试井分析 数值算法 遗传算法 参数计算 曲线拟合AbstractThis paper researches the core algorithm and its implementation in modern well testing software platform. In every stage of the oil exploration and development, getting reservoir parameters, the understanding of the reservoir of oil pro
3、duction level, analysis of the effectiveness of measures to increase production and the degree of the shaft pollution, which has specific engineering application background.First of all, this paper presents basic theory of testing well analysis,and the basic concepts and specific test model of speci
4、fic solutions are introduced in the physical model of testing well. Then, this paper focuses on analysis, verification, design and implementation of the core algorithm in the well testing analysis and interpretation . Including genetic algorithms, Gauss-Newton method, Marquardt method, and LM algori
5、thm, as well as the mixed genetic and numerical algorithm . At last, the above algorithm are integrated in the well testing analysis software platform, a human-computer interaction interface is designed and implemented. Finally, has been designed and implemented the well testing software platform Sw
6、ift.Keyword：Well testing analysis Numerical algorithm Genetic algorithmParameters calculating Curve fitting目录 I目录第一章 绪论. 11.1 试井分析解释综述. 11.2 试井分析研究现状. 21.3 本文主要研究内容. 5第二章 试井物理模型的基本概念. 72.1 与地层有关的参数. 72.2 与流体有关的参数. 82.3 与井筒有关的参数. 8第三章 试井模型的具体解决方案. 113.1 系统角度看试井分析. 113.2 具体模型的求解方法. 13第四章 应用于试井软件平台的核心算
7、法. 174.1 数据预处理算法. 174.1.1 直线滑动平均法. 174.1.2 局部线性估计法. 184.2 曲线拟合算法. 214.2.1 试井分析中曲线拟合概述. 214.2.2 曲线拟合的数值算法. 234.2.3 曲线拟合的遗传算法. 274.2.4 混合数值和遗传算法. 36第五章 现代试井平台的软件实现. 415.1 试井解释软件架构实现 . 415.1.1 试井软件平台架构. 415.1.2 试井软件实现环境. 415.2 Swift 试井解释软件实现. 425.2.1 软件主要菜单实现. 425.2.2 软件主要功能实现. 46第六章 结论. 59致谢 . 61参考文献.
8、 63II 基于数值计算和遗传算法的试井软件平台设计与实现第一章 绪论 1第一章 绪论1.1 试井分析解释综述试井就是对油井，气井，或水井进行测试。测试的内容包括测量产量、压力、温度及其他们的变化，以及取样（包括油样、气样、和水样）等等。试井是一种以渗流力学为基础，以各种测试仪表为手段，通过对油井、气井或水井生产过程中的动态的测试来研究油、气、水层和测试井的生产能力、物理参数，以及油、气、水层之间的连通关系的方法。产能试井：（包括稳定试井和等时间试井等）变换油井、气井或水井的工作制度，测量在不同工作制度下的稳定产量及与之相对应的井底压力，从而确定测试井（或者测试层）的产能方程、无阻流量、井底流
9、入动态曲线和合理产量等。不稳定试井：改变测试井的产量，并测量由此引起的井底压力随时间的变化规律。这种压力的变化同测试过程中的产量有关，也同测试层和测试井的特性有关。因此，运用试井资料，结合其他的资料，可以测算地层和测试井的许多特性参数，包括估算测试井的完井效率、井底污染情况，判断是否需要采取增产措施（如酸化、压裂），分析增产的效果，估算测试井的控制储量、地层参数、地层压力，以及测试井周围的油气层边界情况以及井（层）间连通情况等等。试井是油气田勘探开发过程中认识地层和油气井特性、确定油气层参数的不可缺少的重要手段。值得特别指出的是：在我们所取得的各种资料，如岩心分析、电测解释和试井资料等资料中，
10、许多资料都是在油气藏的静态条件下测得的，这些方法只能反映井眼或者其附近的地层特性。只有试井资料才是在油气藏的动态条件下测得的，由此计算得到的参数能够较好地表征油气藏在动态条件下的特征；也可以更好的反映测试井及其周围广大范围的地层特性。正是基于此原因，试井资料对于制定油气田开发方案、进行油气藏动态预测和检验等等，都有着非常重要的作用。试井包括两个重要方面即：试井资料的获取，以及试井资料的运用。前者即为现场测试，为的是取得足够的可靠的资料；后者即试井解释，要求通过分析测量的资料，得到尽可能可靠的关于地层和测试井的信息。最近 20 年来，随着现代科学技术的飞速发展，特别是电子计算机技术的广泛使用和高
11、精度的电子压力计的研制成功及推广应用，试井技术已经有了重大的突2 基于数值计算和遗传算法的试井软件平台设计与实现破，在传统的试井技术的基础上，逐步形成了一整套现代试井技术：1用高精度测量仪器测量准确的试井资料；2用现代试井解释方法解释试井资料，得到更多更可靠的解释结果；3测试过程控制、资料解释和试井报告编制的计算机化。综上所述：试井是油藏工程重要的分析方法之一。在油田的勘探与开发各个阶段，取得油藏物性参数、了解油藏和油井的产能水平、分析增产措施的效果和井筒受污染的程度等，这些都可以通过试井分析来实现。而且试井与别的方法相比，其优越性还在于，它所取得参数都是动态的，这就为油田开发动态调整提供了重
12、要依据。传统的试井方法主要有:一是特征曲线分析法，如 Home 直线法、Y函数法等；二是典型曲线拟合法，理论典型曲线通过人为手动的方式进行拟合。但是传统的试井方法存在诸多不足之处，对于特征曲线法及其特征曲线出现的时间很难确定，而且不能分析特征线未出现之前的早期测试资料；典型曲线拟合法需要事先做出大量的曲线图版，实际应用中由于油藏的复杂性和多样性，做出各种图版是很困难的，而且事实上也是不现实的。这些缺点限制了传统试井的应用，于是出现了试井自动拟合分析方法，它克服了传统方法存在的缺陷(当然它自身也存在缺点)，在现代试井解释中应用越来越广泛。在过去的二三十年中，试井自动拟合分析方法得到了不断的完善和
13、提高，但仍还有一些基本的问题尚待解决。主要表现在:问题的多解性、算法的收敛性、算法的收敛速度等。本文研究的目的就是要对这些问题进行分析研究，提出一些解决的办法，针对全局域进行求解采用遗传算法，找到全局域的满足一定精度的近似解后，再用一些局部收敛效果好的一些数值算法求出问题的比较接近于最优解的近似解，即优良的参数拟合值。然后在此基础上编制试井自动拟合分析程序，进行实例分析，以验证本文所提出方法的正确性。本文的主要工作就是研究现代试井解释方法并将其试井资料的解释工作计算机化，形成相应的软件，即现代试井解释软件 Swift 软件中相应试井模型曲线拟合方法的研究和计算机软件化。1.2 试井分析研究现状
14、试井测试的对象是井筒的压力和流量，试井分析就是通过压力和流量获取油藏参数，如渗透率、表皮系数、地层孔隙度等。其实从系统分析的角度考虑，试井分析归结为一反问题的求解。引入最优化的概念，通过最小二乘法或最小绝对值法建立目标函数，进行回归分析求最优解，同时由于试井模型的方程是非线性的，通常称这种试井方法为非线性回归试井分析法或自动试井分析法。计算机辅助下的自动拟合分析，是在 1966 年 Jhansi 1引入的，他当时是基于第一章 绪论 3油藏模拟的思想，把油藏分成一系列的均质区块，通过最小二乘法进行非线性回归分析来求得各区块的传导率和地层储集系数；Coats 等人 2也采用类似的方法进行区域油藏描
15、述。严格来说他们所做的工作还不能称为自动拟合试井，因为他们的目的主要是进行油藏描述，而且也没有考虑近井地带的损害情况和井筒的储集效应。在 20 世纪整个 70 年代出现了大量的研究结果，自动拟合试井的概念逐渐被大家接受，在此期间自动拟合的算法也得到不断的改进和提高。Earlougher 和 Kersch 3采用无限大地层线源解进行不稳定试井自动拟合分析，为了考虑井筒储集效应，他们使用一系列流量迭加来模拟测试中续流的影响，这里已有了变流量自动拟合试井的雏形。Chin Futzing4等人在 1977 引入了真正意义上的变流量自动试井，他们对变流量的处理用的是线源解的积分形式。Hernandez
16、和 Swift 5提出了最小二乘差分法(LSDA )，这种方法的优越性在于它不像最小二乘线性化方法(LSLP)，从而避免了非线性系统的线性化。Chen 等人 6使用“最优控制法”进行历史拟合，指出采用这种方法比之别的方法更节约计算时间。1979 年 Padmanabhan7和 Welty8等人对自动拟合试井进行了系统回顾，总结出计算机辅助下自动拟合试井分析受到青睐的几点理由：1与传统方法如 Homer 法、MDH 法及典型曲线拟合法相比，它不必绘制大量的图形，也不需要人为计算。2对测试条件限制较弱，不像传统分析那样要求达到拟稳态，它对整个测试数据段 都 可进行回归分析。3变流量测试，如多流量史
17、恢复测试、注入井测试等都可以使用适当的迭加法进行分析，而不象传统的分析法那样，不同应用目的要采取不同的分析方法 。4自动拟合中，压力恢复和降落，以及整个压力生产史都可以用统一的方式计算，这就保证了所选择的模型和计算的参数与测试的数据之间的一致性 。5原则上，复杂的油藏情况可以通过油藏模拟的方式解决，如果结合自动拟合的最优参数估计技术，就可以提高对油藏的认知程度 。6便宜、高速和大存储量计算机的出现，预示着便携式程序包将可用于现场，这使得油田工程师可实时取得第一手的分析资料，以便随时调整和设计作业程序。从前面的回顾可以看出，早期的自动拟合研究主要是在发掘其用处。而自 20 世纪 80 年代以来，自动拟合试井的研究主要集中在算法上。这是因为在认识到其优越性以后，主要工作的着眼点是提高自动拟合的精度和普适性。在 1983 年A.J.Rosa11等人发表了在自动拟合方面具有里程碑意义的文章，引入了 Laplace 空间下的井底压力解，通过 Stehfest 数值反演的方法，把 Laplace 空间下的解转化为实空间下的解；提出了在 Laplace 空间对压力求导的思想；第一次系统地考虑了井筒储存和表皮系数；引入罚函数法，以限定所求参数在可行域内；为保证求解过
