量子粒子群算法在测井反演解释中的应用
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第9卷第2期 工程 球物理学赧 Vo1.9,No.2 2O12年3月 CHINESE JOURNAI OF ENGINEERING GEOPHYSICS Mar..20l2 文章编号:1672 7940(2012)02一O151 O4 doi:10.3969/j.issn.1672—7940.2012.02.005 量子粒子群算法在测井反演解释中的应用 刘建军 ,卢以水,王全洲,王慧颖 国石油大学理学院,北京102249) 摘 要:量子粒子群算法是在粒子群算法的基础上,结合了量子运动原理提出的新算法,在数值试验中与其 它的优化算法(如粒子群算法,蚁群算法,拟牛顿法,遗传算法,模拟退火算法)相比较有着收敛快,精度高的优 点。粒子群算法,蚁群算法,拟牛顿法等都是测井反演问题中应用较为广泛的优化算法。本文用量子粒子群 优化算法来确定侧向测井几何因子表达式,并且与粒子群算法在该问题上的运算结果进行了比较,结果表明 量子粒子群具有运算速度快,需要资源少等优点,在现实测井中有应用价值。 关键词:测井反演解释;量子粒子群;深浅侧向测井;几何因子 中图分类号:P631.8 文献标识码:A 收稿日期:2011—11—28 Application of Particle Swarm Optimization with Quantum Behavior(QPSO)to Logging Inversion Liu Jianjun,Lu Yishui,Wang Quanzhou,Wang H uiying (College 0/Science,China University of Petroleum,Beijing 102249,China) Abstract:QPSO(Particle swarm optimization with quantum behavior)is a new algorithm based on PSO(particle swarm optimization)and quantum movement.Compared with other optimization algorithms(such as PSO,ant colony algorithm,quasi—Newton method,ge— netic algorithm,simulated annealing algorithm)in numerical experimentation,it has global convergence and higher precision.PSO,ant colony algorithm and quasi—Newton method are widely used in logging inversion problem.This paper firstly introduces the development of QPSO and logging inversion optimization,and then leads to the necessity of using QPSO in logging.After that,the paper shows the operation steps of QPSO and the theory of log— ging inversion optimization.And then it uses QPSO to solve the depth laterolog geometry factor inversion problem,and finally compares with particle swarm optimization.Results show that QPS()has the characteristic of doing fast calculation and needing less resources. Key words:logging inversion;QPSO;depth laterolog;geometry factor 随机优化算法Ⅲ,它在一些连续的优化问题上与 1 引 言 粒子群算法,遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法 和拟牛顿法等算法相比较,具有收敛速度快、精度 量子粒子群优化算法是2004年提出的智能 高、调节参数少等优点。 作者简介:刘建军(1973一),男,博士,副教授,主要从事组合优化研究。E—mail:liujj@cup.edu.cn 152 工程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第9卷 最优化测井解释是根据地球物理学中的广义 反演理论,以经过校正后的、较为真实的测井值为 基础,以储层参数和矿物相对体积为白变量,采用 适当的解释模型和测井响应方程,通过合理选择 一p ± r mbest;一 t IIn(1/M ) (1) 式(1)中, — 是局部收敛点,定义为 P +(1一 )P 其中 ,为(0,1)中的随机数, 为粒子i所 的参数初始值,反演出响应的理论测井值,并将它 们与实际测井值相比较,根据最小二乘法原理,结 经过的点中适应值最优的点,P ,为整个粒子群体 所经过的点中适应值最优的点。口为缩放系数,一 合某些地区地质经验来建立数学模型,应用最优 化方法不断调整储层参数,使计算的理论测井值 不断逼近相应的实际测井值。一旦两者充分接 近,则此时用以计算理论测井值所采用的自变量 就是最充分反映实际底层原貌的储层参数及矿物 相对含量值,即最优化测井解释结果¨2 。 测井反演问题大多是非线性的,因此在求解 反演问题上智能的随机优化算法起到了重要的作 用。优化算法在测井反演上已经得到了很好的运 用 ],极大地推动了测井反演解释的发展。本文 应用量子粒子群算法确定电法测井中侧向测井几 何因子表达式。 2量子粒子群算法 粒子群优化算法PSO(Particle Swarm Opti— mization)最初是由Kennedy和Eberhart提出 的,是一种基于群体的算法l1]。这种通过连续地 搜索空间来达到全局最优的群智能优化算法的灵 感来源于一些生物群体比如:蜜蜂,鸟,鱼之类的 群体智能的体现。粒子群算法同遗传算法类似, 是一种基于迭代的优化算法。系统初始化为一组 随机解,通过迭代搜寻最优值。但是它没有遗传 算法用的交叉及变异,而是粒子在解空间追随当 前阶段最优的粒子进行搜索。同遗传算法比较, 粒子群算法的优势在于容易实现并且没有许多参 数需要调整。目前已广泛应用于函数优化 ],神 经网络训练[6 等领域。 由于粒子群优化算法搜索空间有限,易陷入 局部极值。2004年,受量子力学和粒子群优化算 法轨迹分析的启发,Jun sun等人提出了一种基 于量子行为的粒子群优化方法[ ,即量子粒子群 算法QPSO(Particle Swarm Optimization with Quantum Behavior)。该算法简单有效,收敛速度 快,全局搜索性能远优于粒子群算法。 量子粒子群算法基于量子动力学原理,迭代 的公式采用量子的波动方程并用统计的方法给 m,如下: 般取值为1,并且在迭代过程中线性减少至0.5。 mbest:定义为每个粒子在第t次迭代J方向 上的最优点的均值。定义为 砌 t一 ∑IⅥ_ P 。 “fI是(O,1)中的一个随机数。 算法步骤: 1)参数初始化,如最大迭代次数、种群数量, 初始化种群。 2)计算种群适应度,并得到整个种群的最优 个体和mbest。 3)开始迭代。根据迭代公式(1)得到每个个 体的更新值 『_ ,并计算个体适应度f(x'7 ),若 _厂( )优于迭代前的个体适应度则P:一 , 最后比较整个群体给出gbest,即P 。 4)更新mbest,并继续步骤3),直至满足停止 条件(如迭代达到最大迭代次数)。 3 QPSO在侧向测井中的应用 在测井资料数字处理中,用计算机对测井曲 线进行井眼、层厚、侵入带影响校正时,必需事先 根据一批数据或解释图版导出相应的拟合公式。 简单的拟合公式可用回归分析法得到,但对具有 指数、对数与复杂的非线性关系,回归分析法不仅 计算麻烦,而且精度也往往不高。此时,最优化方 法更为方便有效。 3.1问题的提出 在双侧向测井中,测井几何因子对测井的判 断和结论十分重要,而测井几何因子的公式可以 通过地形拟合公式(参考当地地形和以往已知地 形给出)和地层真电阻率R 、冲洗带电阻率R 和泥浆侵入带直径D 来确定。由于双侧向测井 的公式参数比较复杂,一般的方法无法给出精确 度比较高的公式,这时应用最优化方法更为合适。 用测井工具求得地层真电阻率R 、冲洗带电阻率 R 和泥浆侵入带直径D 。地层真电阻率和冲洗 带电阻率单位为n・m,泥浆侵入带直径单位为 第2期 刘建军等:量子粒子群算法在测井反演解释中的应用 153 英寸(inch,1 inch=2.54 cm)。对无限厚地层,用 几何因子理论计算出的电阻率可认为是准确的。 对于经过井眼和层厚校正的双侧向测井来 A 说,其几何因子 取决于地层真电阻率R,冲洗 ^ 带电阻率R 及泥浆侵入带直径D ,即I, 一 f(R,,R ,D )。设有”个几何因子., ( 一1, 2…., ),按最小二乘法得到如下式: " . min Q—min>:(J 一‘, )。 i一1 一min [J 一厂 (R,,R…D )]。 (2) i一1 ^ 式(2)中,J 为待求的几何因子拟合公式。J 为已知的近似几何因子(为实际地层的测量真实 几何因子)。结合当地地形选用适当形式的拟合 公式,将给定的一组R ,R D 及相应几何因子 数据代人式(2),用最优化方法不断调整拟合系 数,使残差平方和Q(即目标函数)达到极小时,便 可得出具体的几何因子公式。这里采用文献[2] 中的拟合公式: ^ J—A1+A 2.27l+A3 2+A4 1 822 +A 537 +A6z; (3) 其中82l—D 一8, 2一in R /R 。 由式(3)知,A 、A 、A。、A 、A 、A。六个 系数相当于目标函数中的未知元。此问题即转换 为求六元变量无约束非线性规划问题。 3.2用QPSO确定几何因子表达式 采用Schlumberger公司中的深、浅侧向测井 侵入带的近似积分几何因子 。与 数据表来检 验算法,表1给出了深侧向和浅侧向测井近似径 向积分几何因子。 采用粒子群和量子粒子群来计算该测井反演 问题,求解目标函数,即式(2),J ,R /R ,D 表1中均已给出。 两种算法均在(一0.5,0.5)范围内均匀取初 值,量子粒子群和粒子群算法种群数量为40,迭 代次数K一2000。迭代公式(1)中的参数口一1一 L 0.5× (志为当前迭代次数)(表2至表5)。 』、 图1和图2分别给出D 分别20in和30in时 深侧向测井情形下目标函数值Q的收敛效果。 从运算结果,可看出量子粒子群在深、浅侧向 测井中的各种D 对应的测井中表现稳定,且量子 粒子群算法运算速度较粒子群算法速度快。 表1 深侧向和浅侧向测井近似径向积分几何因子 Table 1 Deep and shallow laterolog approximate radial integral geometry factor 表2 D 取值2O英寸深侧向测井计算结果 Table 2 Deep lateral solutions when D =20inch 注:1 inch一2.,54 cm 表3 D 取值3O英寸深侧向测井计算结果 Table 3 Deep lateral solutions when D =30inch 154 ]-程地球物理学报(Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第9卷 Qj 犀 1 迭代次数k 图1 D =20 inch时粒子群算法(PSO)和量子粒子群算法 (QPSO)在深侧向测井几何因子反演中最优值的比较 Fig.1 D =20 inch,Compare of PSO and QPSO in deep[aterolog inverse result D 取值2O英寸浅侧向测井计算结果 Shallow lateral solutions when D 一20inch 表5 D 取值3O英寸浅侧向测井计算结果 Table 5 Shallow latera1 solutions when D 一30inch 4 结 语 通过量子粒子群算法在深、浅侧向测井上运 用表明:在测井反演上是可行的;与其他的优化算 法相比较,具有不需要考虑初值和求导数的优点; 从实际计算来看反演结果精确度较高。如何把该 算法运用到实际生产中是下一步的主要工作。 参考文献: [1]J Sun,B Feng,W Xu.ParticIe swarm optimization 迭代次数k 图2 D =30 inch时粒子群算法(PSO)和量子粒子群算法 (QPSO)在深侧向测井几何因子反演中最优值的比较 Fig.2 D =30 inch Compare of PSO and QPSO in deep laterolog inverse result with particles having quantum behavior[R].In IEEE Congress on Evolutionary Computation,2004. 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