于聰靈，蔡忠賢，楊海軍，朱永峰，王 慧

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) a.資源學(xué)院；b.構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.中國(guó)石油 塔里木油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

隨著海相碳酸鹽巖油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)，洞穴型儲(chǔ)集層已成為眾多學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。輪古油田50%的高產(chǎn)井與暗河相關(guān)，與此同時(shí)，部分井的失利原因是鉆遇全充填洞穴[1]，故暗河內(nèi)部的充填情況直接關(guān)系到儲(chǔ)集層發(fā)育的情況。未充填和部分充填的暗河及其上部形成的洞頂縫儲(chǔ)集層可作為良好的儲(chǔ)集空間，預(yù)測(cè)暗河內(nèi)部充填情況及地質(zhì)成因是一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)題。

眾多學(xué)者針對(duì)碳酸鹽巖暗河充填預(yù)測(cè)做了大量的研究，但國(guó)內(nèi)外對(duì)地下洞穴網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)充填規(guī)律和模式的研究處于初級(jí)階段，尚未形成有效的研究思路和方法。目前對(duì)暗河充填程度的預(yù)測(cè)更多的集中在以三維地震資料為基礎(chǔ)，地球物理為手段的預(yù)測(cè)研究，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、正演及反演等方法優(yōu)選出對(duì)洞穴充填程度敏感的屬性[2-4]，預(yù)測(cè)結(jié)果受地震資料保真性以及分辨率的影響，同時(shí)暗河尺度以及流體對(duì)地震屬性存在較大的影響，使得預(yù)測(cè)結(jié)果存在較強(qiáng)的多解性。從地質(zhì)角度預(yù)測(cè)暗河充填成為一個(gè)可行的方向，文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)挪威Okshola-Kristihola洞穴系統(tǒng)的地表調(diào)查工作，分上游、中游和下游3部分宏觀上粗略地描述了該大規(guī)模迷宮式洞穴系統(tǒng)充填物的分布特征，該項(xiàng)研究對(duì)洞穴網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其形態(tài)作了詳細(xì)工作，但尚未深入分析碎屑質(zhì)充填物的發(fā)育規(guī)律和模式。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］對(duì)暗河解剖，研究暗河的地質(zhì)形態(tài)和空間特征并將其分類(lèi)。文獻(xiàn)［8］在闡述洞穴共生作用作為洞穴增長(zhǎng)發(fā)育的一種新機(jī)制時(shí)，曾概略性提出了一個(gè)洞穴體系沉積物流入路徑和堆積點(diǎn)模式，從該模式體現(xiàn)洞穴沉積物堆積與洞穴類(lèi)型或樣式有關(guān)，因此可以通過(guò)對(duì)洞道類(lèi)型的描述來(lái)預(yù)測(cè)洞穴充填程度。文獻(xiàn)［9］將洞穴充填物劃分為垮塌部分充填型和暗河充填型，并提出上奧陶統(tǒng)是否覆蓋決定了洞穴類(lèi)型及充填程度。

輪古油田海西運(yùn)動(dòng)早期形成了復(fù)雜的碳酸鹽巖洞穴系統(tǒng)，其充填程度直接影響儲(chǔ)集性能。本次研究基于暗河的精細(xì)解剖，側(cè)重于利用地質(zhì)的方法，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，對(duì)輪古油田暗河充填程度進(jìn)行全面預(yù)測(cè)，總結(jié)暗河充填特征，闡述輪古油田奧陶系碳酸鹽巖潛山洞穴充填地質(zhì)規(guī)律，為儲(chǔ)集層分析和預(yù)測(cè)及部署井提供依據(jù)。

圖1 輪古油田構(gòu)造位置

1 區(qū)域地質(zhì)概況

輪古油田奧陶系碳酸鹽巖潛山位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起中部地區(qū)（圖1），東接草湖凹陷，西接哈拉哈塘凹陷，南臨滿(mǎn)加爾凹陷，北靠輪臺(tái)凸起，是油氣的長(zhǎng)期運(yùn)移指向區(qū)。輪古油田主要產(chǎn)油段為奧陶系鷹山組，與上覆石炭系呈不整合接觸，缺失中—上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系和二疊系，與下伏奧陶系蓬萊壩組呈整合接觸?？p洞型儲(chǔ)集層發(fā)育在潛山面以下0～160 m，局部洞穴埋藏深度達(dá)250 m.

輪古油田暗河網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，靜態(tài)和油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料分析表明，217口生產(chǎn)井中共有109口井發(fā)育209個(gè)洞穴，鉆遇洞穴率為50%以上，同時(shí)，輪古油田90%以上的高產(chǎn)井與巖溶洞穴或較大的巖溶縫洞體有關(guān)。

2 洞穴充填地質(zhì)學(xué)研究

2.1 洞穴充填程度分類(lèi)

洞穴型儲(chǔ)集層是輪古油田最主要的儲(chǔ)集類(lèi)型之一，其典型地震響應(yīng)特征表現(xiàn)為串珠狀反射和波阻抗高異常[10]。依據(jù)輪古油田部分鉆井、錄井和測(cè)井資料，把洞穴型巖溶儲(chǔ)集層按洞穴的充填程度劃分為未充填洞穴、部分充填洞穴和全充填洞穴3類(lèi)：未充填洞穴指鉆井和錄井過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重泥漿漏失、放空、鉆時(shí)降至極低值及井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，進(jìn)而被證實(shí)的洞穴；部分充填洞穴指鉆井過(guò)程中出現(xiàn)部分放空、溢流現(xiàn)象，測(cè)井解釋為洞穴型儲(chǔ)集層且測(cè)井儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)的儲(chǔ)集層，存在一定程度的井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，未充填和部分充填洞穴型儲(chǔ)集層可作為儲(chǔ)集空間儲(chǔ)集油氣，具備良好的生產(chǎn)能力；全充填洞穴指在鉆井過(guò)程未見(jiàn)放空、溢流現(xiàn)象，未見(jiàn)井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，但測(cè)井解釋為洞穴型儲(chǔ)集層。這類(lèi)洞穴多被砂泥質(zhì)和角礫充填，少量方解石充填，儲(chǔ)集層不發(fā)育或發(fā)育程度差。

2.2 洞穴充填研究現(xiàn)狀

洞穴碎屑質(zhì)沉積物的充填主要由沉積物的輸入方式和沉積物在洞道中的水動(dòng)力條件兩方面決定。

不同的輸入方式?jīng)Q定了洞穴沉積物的充填，文獻(xiàn)［8］研究表明，地下洞穴系統(tǒng)在碎屑質(zhì)沉積物的輸入方式上存在斷頭河外源型輸入、落水洞堵塞型注入、土壤通過(guò)巖石縫隙及豎井（或直立的排水溝管）的向下沖刷、河流回泛以及圍巖不溶殘留等多種方式，因而有限堆積的區(qū)域包括：①緊鄰沉積物輸入點(diǎn)的近地表洞道，尤其是低坡降河流型洞道或狹窄的入口洞道；②巨礫垮塌阻塞或其他限制類(lèi)型，如落水洞垮塌的堆積段；③具有穩(wěn)定潛水面的下彎潛流管道內(nèi)或洞道的洪泛段；④遭受河流回泛活動(dòng)的殘余洞道；⑤遭受來(lái)自豎井流和裂縫流充填的殘余洞道。

同時(shí)指出，具共生作用的洞道容易發(fā)生厚的沉積堆積。文獻(xiàn)［11］提出破裂作用優(yōu)先發(fā)生于洞道交切部位、臨近地表洞穴和洞道終止部位。文獻(xiàn)［12］認(rèn)為許多洞道終止于破裂阻塞（被洞穴勘探者稱(chēng)為終端破裂）。

不同的洞道樣式其水動(dòng)力條件也不同，導(dǎo)致充填情況的不同，因而洞道類(lèi)型與其充填性存在相關(guān)性。大多數(shù)洞穴在內(nèi)部水動(dòng)力特征受到落水洞堵塞、極端流動(dòng)事件、洪水回泛以及滿(mǎn)管流等特殊水動(dòng)力作用的影響，使得洞穴沉積水動(dòng)力作用復(fù)雜于地表河環(huán)境，因此，對(duì)洞穴充填程度的研究，首先需要通過(guò)恢復(fù)暗河形態(tài)來(lái)分析沉積部位的水動(dòng)力學(xué)特征。

圖2中，A點(diǎn)為低角度的河流潛入點(diǎn)，通常攜帶細(xì)粒黏土和粉砂；B點(diǎn)為落水洞，由于垮塌作用，可以向暗河注入大塊垮塌的角礫，使得落水洞的上游①段通常充填較為嚴(yán)重，下游②段可能存在部分未充填的空間；C點(diǎn)為廳堂洞，洞頂發(fā)生垮塌作用使得暗河被巨礫充填，而廳堂洞的頂部可能存在一定未充填的空間，高角度洞道中可以導(dǎo)致整個(gè)沉積物體發(fā)生塊體運(yùn)動(dòng)；D點(diǎn)處于高梯度洞道中的下彎潛流管道，泥沙的堆積導(dǎo)致該段充填嚴(yán)重，洞道的兩側(cè)③段和④段充填程度相對(duì)輕微，可能存在未充填段；暗河的出口處E點(diǎn)由于地表泥沙的倒灌，⑤段充填性為部分充填—全充填；潛水面下降后，上部F點(diǎn)暗河段廢棄，洪水期時(shí)，攜帶大量泥沙的洪水可以沿殘余洞道⑥進(jìn)入較長(zhǎng)一段距離，導(dǎo)致破壞期之后的暗河出口處充填嚴(yán)重；G點(diǎn)為表層巖溶帶中地表水通過(guò)滲流的方式進(jìn)入暗河的洞穴，⑦段洞穴尺度普遍較小，充填相對(duì)嚴(yán)重。由此可看出，碎屑質(zhì)沉積物的輸入主要是通過(guò)洞道輸入樣式來(lái)對(duì)沉積物的堆積加以控制的，而洞穴內(nèi)部的水動(dòng)力條件則是通過(guò)洞穴內(nèi)部樣式來(lái)控制碎屑質(zhì)沉積物充填的。故通過(guò)對(duì)暗河進(jìn)行解剖，分析其內(nèi)部樣式，以預(yù)測(cè)暗河充填情況。

圖2 洞道樣式與充填情況模式（據(jù)文獻(xiàn)［8］）

2.3 洞穴充填程度控制因素

根據(jù)前述，利用輪古油田井震結(jié)合方法識(shí)別單井鉆遇洞穴的充填程度，同時(shí)運(yùn)用地震資料解剖過(guò)井暗河的類(lèi)型，通過(guò)研究?jī)烧咧g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為暗河充填程度的控制因素為暗河級(jí)別、暗河類(lèi)型、洞道樣式、與暗河出入口的關(guān)系、與廳堂洞的關(guān)系和是否垮塌6項(xiàng)。

（1）暗河級(jí)別 暗河級(jí)別指暗河發(fā)育的尺度，即主干暗河、分支暗河和單洞道。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)樹(shù)枝狀的暗河網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只存在一個(gè)主干暗河，發(fā)育明顯的出入口，洞道延伸往往最長(zhǎng)，且多有分支暗河伴生，單洞道發(fā)育尺度和延伸距離普遍較?。ū?）。

表1 研究區(qū)暗河級(jí)別劃分方案

圖3中，A-7井鉆遇10.5 m的部分充填洞穴，其所在暗河段的級(jí)別為分支暗河；A-3井鉆遇19.2 m的全充填洞穴，其所在暗河段的級(jí)別為主干暗河。主干暗河多發(fā)育于暗河系統(tǒng)低部位，不僅水流量較大，攜帶泥砂也較多，易部分沉積，導(dǎo)致暗河充填。在分支暗河的末端或主干暗河翼部的小型分支暗河是河流不易達(dá)到的邊部盲道，不容易發(fā)生砂泥質(zhì)的堆積。

圖3 研究區(qū)暗河級(jí)別平面模式

（2）暗河類(lèi)型 地下暗河系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其形成與演化受多種因素控制。不同的暗河類(lèi)型反映了不同的巖溶演化特征，是分析、識(shí)別區(qū)域內(nèi)構(gòu)造特征、水動(dòng)力條件、巖溶發(fā)育階段的重要標(biāo)志之一。文獻(xiàn)［7］按照暗河的形態(tài)特征，對(duì)巖溶峽谷區(qū)的暗河進(jìn)行分析和論述，將其劃分為垂直滲流型洞穴和水平潛流型洞穴。同時(shí)，巖溶峽谷是巖溶地貌中溶蝕型洞穴集中發(fā)育的區(qū)域，在不同的水動(dòng)力條件、地貌部位等主導(dǎo)成因的控制下，會(huì)形成多種類(lèi)型的洞穴。結(jié)合研究區(qū)特有的地貌特征和文獻(xiàn)［7］的劃分方案，總結(jié)出適用于研究區(qū)的暗河類(lèi)型劃分方案（表2）。

（3）洞道樣式 洞道樣式作為暗河洞段局部發(fā)育的形態(tài)，反映了水動(dòng)力在局部洞穴段的背景和作用。根據(jù)文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［13］對(duì)暗河的研究，結(jié)合輪古油田奧陶系獨(dú)特的古地貌環(huán)境，將洞道樣式劃分為滲流型、水平潛流型和地下連接型3大類(lèi)10亞類(lèi)（表3）。

表2 研究區(qū)暗河系統(tǒng)類(lèi)型劃分方案

表3 研究區(qū)洞道樣式劃分方案

由于地震分辨率的影響，對(duì)于滲流型洞穴的識(shí)別存在一定的困難，故將豎井、深落水洞、天窗和天坑統(tǒng)一識(shí)別為落水洞。

落水洞等滲流型洞穴的形成與強(qiáng)烈的地下水活動(dòng)是分不開(kāi)的，一般形成于垂直循環(huán)極為流暢的地區(qū)，即潛水面以上，是流水沿垂直裂隙進(jìn)行溶蝕、沖蝕并伴隨崩塌作用的產(chǎn)物（圖4中①所示）。當(dāng)排泄基準(zhǔn)面下降時(shí)，地下水面隨之下降，早期處于潛水面以下的裂縫則成為地下水由淺層洞穴向深層洞穴排泄的通道，隨著地下暗河的不斷侵蝕，這種垂向排泄通道不斷垮塌擴(kuò)大，逐漸形成。地下暗河的發(fā)育程度直接關(guān)系著落水洞發(fā)育的規(guī)模大小，當(dāng)暗河被上部垮塌堆積物掩埋阻斷或者遷移以后，落水洞的發(fā)育就基本停止，故落水洞的頂部可能發(fā)育未充填的空間。

圖4 研究區(qū)洞道樣式剖面模式

潛流回路洞道的形成是由于地下水在強(qiáng)烈的水動(dòng)力條件控制下，不斷向下侵蝕，到達(dá)潛流帶以后，仍然沿著裂縫或者易溶蝕部位繼續(xù)向下溶蝕，在低于排泄基準(zhǔn)面的位置延伸發(fā)育，形成一段洞道（圖4中④所示）。發(fā)育一段距離以后又在排泄基準(zhǔn)面控制下回到了潛流帶的位置，從而形成了一段回路型的洞道。

水平潛流洞道發(fā)育在潛流帶，是由潛流帶水溶蝕形成的水平發(fā)育的洞穴，其洞穴尺度較大，縱向延伸距離較長(zhǎng)（圖4中⑤所示）。

廊道是指兩個(gè)大尺度洞之間的連接部位，通常，該類(lèi)型溶洞尺度較小，沿水平方向發(fā)育一定的距離（圖4中③所示），若兩端未發(fā)生垮塌，狹窄的廊道水流速度較快，充填可能性較小。

傾斜連接溶洞與垂直落水洞相似，都是排泄基準(zhǔn)面下降，地下水沿著裂縫溶蝕沖刷形成的。由于裂隙或者節(jié)理相對(duì)傾斜，溶蝕沖刷后形成傾斜溶洞，連接兩層洞穴。根據(jù)其傾斜程度的不同，又可以分為高角度洞道和中等角度洞道（圖4中⑥和⑦所示）。該類(lèi)洞道傾斜角度和水流速度較大，充填的可能性較低。

易被充填的區(qū)域?yàn)榘岛映鋈肟诟浇⒙渌?、廳堂洞附近、垮塌處及下彎潛流管道；一般程度被充填區(qū)域?yàn)樗綕摿鞴芴帲y被充填的區(qū)域?yàn)橹械取呓嵌榷吹篮屠鹊馈?/p>

（4）與暗河出入口的關(guān)系 暗河出入口是暗河集中式輸入和排泄的主要通道，在地質(zhì)歷史時(shí)期，地表水流通過(guò)暗河窗口流入或流出暗河。流入的方式主要為豎井、落水洞、天坑等垂直流入，狹窄的入口洞道容易發(fā)生碎屑物的堆積；暗河出口主要分布在明河流域附近，即明河是暗河的主要排泄出口，只有少部分的暗河以泉眼形式流入湖泊或者洼地，流出方式主要以?xún)A斜狀態(tài)流入暗河系統(tǒng)，容易形成傾斜的沉積物堆積（圖2中A點(diǎn)、B點(diǎn)和E點(diǎn)所示）。

（5）與廳堂洞的關(guān)系 在上覆巖層承載能力相對(duì)較弱的部位，往往會(huì)出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，形成洞穴廳堂（圖2中C點(diǎn)和圖4中②所示）。另外，由于洞道中的構(gòu)造應(yīng)力作用或流水沿裂縫的侵蝕，洞道頂部也會(huì)出現(xiàn)垮塌而形成廳堂。廳堂洞多位于暗河交匯處，其高度往往高于連接暗河的高度，即使暗河被全充填時(shí)，廳堂洞的頂部往往殘留部分空間，是尋找未充填的儲(chǔ)集空間的重點(diǎn)目標(biāo)。

（6）是否垮塌 與廳堂洞類(lèi)似，當(dāng)暗河的某一段發(fā)生垮塌時(shí)，容易在垮塌段頂部殘留部分空間。同時(shí)，垮塌現(xiàn)象對(duì)于暗河來(lái)說(shuō)，阻礙了暗河的流通，垮塌段的下游段暗河被部分充填或未充填的可能性相對(duì)較高。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行機(jī)制

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入目標(biāo)與輸出目標(biāo)之間的非線(xiàn)性映射，具有實(shí)現(xiàn)途徑直觀、運(yùn)算機(jī)制容易理解的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)研究之中[14]。其基本過(guò)程為：首先賦予網(wǎng)絡(luò)一個(gè)初始權(quán)值和閾值作為輸入的訓(xùn)練樣本，然后按照給定的輸入樣本前向計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出，根據(jù)輸出值與實(shí)際樣本之間誤差的大小不斷調(diào)整權(quán)值和閾值，兩者之間不斷趨于一致[15]。

其基本過(guò)程為：在縫洞充填物的識(shí)別過(guò)程中恰好能運(yùn)用到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高度的非線(xiàn)性映射能力，解決縫洞充填物與測(cè)井響應(yīng)之間關(guān)系的非線(xiàn)性問(wèn)題，因此，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別縫洞充填物是有利的。筆者使用的是前饋反向傳播（Feed-forward Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由一個(gè)輸入層、一個(gè)輸出層和具有一個(gè)或多個(gè)sigmoid神經(jīng)元構(gòu)成的隱含層構(gòu)成。

學(xué)習(xí)樣本的數(shù)量和質(zhì)量影響B(tài)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度和準(zhǔn)確性，要求挑選的學(xué)習(xí)樣本能基本表征研究區(qū)暗河地質(zhì)特征與充填特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)其特有的樣本學(xué)習(xí)能力獲得充填物識(shí)別模式，智能化程度高，這樣不僅有效地解決了地質(zhì)差別少導(dǎo)致識(shí)別精度低的困擾，而且樣本和識(shí)別參數(shù)原則上不受任何限制，可以充分利用一切可用的參數(shù)，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)的精度。

表4 研究區(qū)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練部分樣本

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)等于影響洞穴充填的地質(zhì)因素個(gè)數(shù)，取6；充填程度作為輸出信號(hào)，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)取1.關(guān)于隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定，隱含層單元數(shù)太少導(dǎo)致預(yù)測(cè)容錯(cuò)性差，隱含層單元數(shù)太多又使學(xué)習(xí)時(shí)間太長(zhǎng)，誤差情況不一定最佳。本次研究采用“試錯(cuò)法”，找出最優(yōu)隱含層單元數(shù)，本次選取隱含層數(shù)為4.按照上述分析分別編碼。

（1）暗河級(jí)別 主干暗河：1；分支暗河：2；單洞道：3.

（2）暗河類(lèi)型 主流暗河：1；支流暗河：2；轉(zhuǎn)向暗河：3；流出型暗河：4；伏流型暗河：5；穿洞型暗河：6；順河潛流型暗河：7；滲流入流型暗河：8.

（3）洞道樣式 落水洞：1；廳堂洞：2；潛流回路洞道：3；水平潛流洞道：4；廊道：5；高角度洞道：6；中等角度洞道：7.

（4）與暗河出入口的關(guān)系 無(wú)：0；入口附近：1；出口附近：2.

（5）與廳堂洞的關(guān)系 無(wú)：0；上游：1；下游：2；中心：3.

（6）是否垮塌 無(wú)：0；是：1.

（7）充填程度 未充填：0；部分充填：1；全充填：2.

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可行性的檢驗(yàn)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)輪古油田217口生產(chǎn)井的洞穴發(fā)育情況，其中109口井發(fā)育209個(gè)洞穴，充填特征表明，碎屑質(zhì)充填是奧陶系碳酸鹽巖洞穴的主要充填類(lèi)型。利用地震資料對(duì)洞穴識(shí)別，由于分辨率的影響，只能觀察到10 m以上的洞穴。利用測(cè)井曲線(xiàn)和鉆井資料識(shí)別出大于10 m的洞穴，利用地震資料對(duì)過(guò)井暗河進(jìn)行解剖，分析出單井鉆遇洞穴所在暗河段的發(fā)育模式。該地區(qū)共鉆遇21個(gè)10 m以上洞穴，分別解剖每一條過(guò)井暗河。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，選取16個(gè)洞穴作為訓(xùn)練樣本，部分訓(xùn)練樣本見(jiàn)表4.

因?yàn)闃颖究傮w數(shù)量較少，在對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可行性分析檢驗(yàn)的過(guò)程中，選取研究區(qū)21個(gè)樣本中的16個(gè)樣本作為訓(xùn)練樣本，5個(gè)樣本未進(jìn)行訓(xùn)練，作為測(cè)試樣本。

利用MATLAB軟件進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算。基本過(guò)程如下：①按照編碼處理16個(gè)訓(xùn)練樣本；②設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的最大學(xué)習(xí)迭代次數(shù)為5 000次；③設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)精度為0.000 01；④創(chuàng)建和訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MATLAB程序；⑤顯示的數(shù)據(jù)與所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模型相符。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程（圖5）及誤差曲線(xiàn)（圖6）可以看出，樣本數(shù)據(jù)在訓(xùn)練迭代12次精度達(dá)到0.000 01，達(dá)到誤差性能目標(biāo)。將測(cè)試的輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際情況比較（表5），相對(duì)誤差在10%左右，均可以準(zhǔn)確判斷洞穴充填程度。5個(gè)未經(jīng)訓(xùn)練的樣本與已訓(xùn)練的樣本的輸入因子存在相似性，故判斷的準(zhǔn)確性高。由于樣本集的限制，21個(gè)樣本并未包含全部的輸入因素（如未發(fā)現(xiàn)一個(gè)洞穴所在暗河的洞道樣式為中等角度型），在預(yù)測(cè)全區(qū)的充填程度時(shí)會(huì)有所欠缺，需要人為校正。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及訓(xùn)練過(guò)程

圖6 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差曲線(xiàn)

表5 研究區(qū)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)部分結(jié)果

通過(guò)可行性檢驗(yàn)說(shuō)明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的MATLAB實(shí)現(xiàn)是可行的，隨著訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)的進(jìn)一步增加，該方法對(duì)洞穴充填程度的預(yù)測(cè)將會(huì)更加準(zhǔn)確。

4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)成效

解剖輪古油田暗河系統(tǒng)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，按上述方法選取21個(gè)大于10 m的洞穴作為訓(xùn)練樣本，分別預(yù)測(cè)其充填程度。在利用RMS（均方根）技術(shù)、串珠識(shí)別暗河技術(shù)表征全區(qū)暗河網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上，解剖每一條暗河。以暗河AB為例（圖7—圖9），利用印模法恢復(fù)古地貌，解剖該段暗河。首先根據(jù)該段暗河洞道系統(tǒng)平面圖，分析其平面地質(zhì)特征，判斷暗河級(jí)別及類(lèi)型，在地震剖面上分析其剖面地質(zhì)特征，判斷每一段洞道的洞道樣式、暗河出入口、是否存在廳堂洞和是否垮塌。

圖7 研究區(qū)暗河AB的RMS平面分布

暗河AB的級(jí)別分別為主干暗河和分支暗河；暗河類(lèi)型分別為流出型暗河和主流暗河；洞道樣式發(fā)育有落水洞、中等角度洞道、水平潛流洞道等5種；暗河發(fā)育有兩個(gè)明顯的明河型出口、一個(gè)負(fù)地形入口和一個(gè)明河型入口；沒(méi)有發(fā)育廳堂洞及垮塌。將經(jīng)過(guò)處理后的訓(xùn)練樣本集輸入用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)暗河充填程度（表6）。

圖8 研究區(qū)暗河AB洞道系統(tǒng)平面分布

圖9 研究區(qū)暗河AB地震剖面

對(duì)應(yīng)暗河充填情況剖面（圖10）可以看出，A端分支暗河整體未充填，可能有洞頂縫等洞穴相關(guān)儲(chǔ)集層的發(fā)育，可作為良好的儲(chǔ)集空間；B端主干暗河處于暗河系統(tǒng)相對(duì)低部位，整體被阻塞，充填程度較高，儲(chǔ)集性能較差。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以較好地解釋對(duì)洞穴充填程度中隱藏的非線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了基于暗河類(lèi)型對(duì)溶洞發(fā)育規(guī)模的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。利用該方法對(duì)洞穴型儲(chǔ)集層的充填程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，區(qū)分出了儲(chǔ)集性能良好的未充填和儲(chǔ)集性較差的全充填洞穴。

表6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)暗河AB充填結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖10 研究區(qū)暗河AB充填程度剖面

5 結(jié)論

（1）地下暗河系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不同的暗河類(lèi)型反映了不同的巖溶演化特征，在暗河的不同部位，其充填程度也不一致，根據(jù)暗河的不同類(lèi)型，總結(jié)了洞穴充填程度的6個(gè)控制因素：暗河級(jí)別、暗河類(lèi)型、洞道樣式、與暗河出入口關(guān)系、與廳堂洞的關(guān)系和是否垮塌。

（2）根據(jù)已知井鉆遇洞穴的數(shù)據(jù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，預(yù)測(cè)輪古油田暗河系統(tǒng)充填程度，預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在10%左右，為預(yù)測(cè)暗河充填程度提供了新思路。

（3）在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程中，樣本容量的大小對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有著顯著的影響。由于訓(xùn)練樣本中尚未包含所有的暗河類(lèi)型，在預(yù)測(cè)的過(guò)程中誤差相對(duì)較大，為了提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，豐富訓(xùn)練樣本的容量是一個(gè)重要的途徑。