基于主成分分析法的N油田M油組儲(chǔ)層巖性識(shí)別

宋延杰，劉鵬奇，閻偉林

(1.東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，黑龍江大慶163318;2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163712)

N油田M組是以碳酸鹽巖［1－2］為主的淺湖相混合沉積，主要有灰質(zhì)粉砂巖、泥晶灰?guī)r、藻灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥巖等多種巖性。目前，巖性識(shí)別［3－5］的方法主要有概率統(tǒng)計(jì)方法、模糊學(xué)聚類分析方法［6－7］，以及模式識(shí)別方法［8］，應(yīng)用這些方法識(shí)別該地區(qū)M組的巖性，精度較低，無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)要求。筆者選用主成分分析法確定巖性識(shí)別主成分，制作圖版，并對(duì)N油田M油組巖性進(jìn)行識(shí)別，以滿足生產(chǎn)需求。

1 儲(chǔ)層的巖性特征

1.1 巖性歸類

N油田淺層M油組的巖心與薄片資料表明，研究區(qū)巖性主要以沉積巖類和碳酸鹽巖類為主，巖性地質(zhì)定名達(dá)20余種，其中，某些巖性儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征相近，能夠采用相同的測(cè)井解釋模型進(jìn)行解釋。因此，在滿足地質(zhì)與測(cè)井評(píng)價(jià)需求情況下，可以對(duì)巖性進(jìn)行歸類。筆者以微觀薄片分析和宏觀巖心描述為準(zhǔn)則，根據(jù)N油田淺層M油組7口井81塊巖芯薄片及鑄體薄片鑒定結(jié)果，將該區(qū)的巖性歸納為藻灰?guī)r、泥晶灰/云巖和泥質(zhì)碳酸鹽巖三類。

1.2 巖性測(cè)井響應(yīng)特征

對(duì)M油組7口井35個(gè)層的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，結(jié)果如圖1、表1所示。分析可知，在補(bǔ)償中子(CNL)及聲波時(shí)差(ΔtAC)曲線(圖1a、1b)上，藻灰?guī)r類為低值，泥晶灰/云巖類為中值，泥質(zhì)碳酸鹽巖類為高值;在深感應(yīng)電阻率/圍巖電阻率(ΔR)及深側(cè)向電阻率(ρRLLD)曲線(圖1c、1d)上，藻灰?guī)r類為高值，泥晶灰/云巖類為中值，泥質(zhì)碳酸鹽巖類為低值。

2 巖性識(shí)別方法

N油田M油組的常規(guī)測(cè)井響應(yīng)規(guī)律復(fù)雜，應(yīng)用地層微電阻率掃描成像測(cè)井(FMI)和地層成像測(cè)井(ECS)能夠較好地識(shí)別巖性，但該區(qū)這類資料極為有限，不能全面應(yīng)用于整個(gè)油組。為此，筆者在常規(guī)測(cè)井響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，提出基于主成分分析法的地層巖性識(shí)別方法。

2.1 主成分分析法原理

主成分分析法是對(duì)數(shù)據(jù)降維的一種數(shù)學(xué)方法。基本思想是，設(shè)法將原來(lái)眾多的具有一定相關(guān)性的指標(biāo)X1，X2，…，Xp(例如p個(gè)指標(biāo))，重新組合成一組較少數(shù)量的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)Fm，以代替原來(lái)指標(biāo)。

圖1 ΔGR與ΔtAC、φCNL、ΔR、ρRLLD交會(huì)圖Fig.1 Crossplot of GR and ΔtAC、φCNL、ΔR、ρRLLD

表1 各類巖性測(cè)井響應(yīng)特征Table 1 Various lithological logging response characteristics

設(shè)F1表示原變量的第一個(gè)線性組合所形成的主成分指標(biāo)，即F1=a11X1+a21X2+…+ap1Xp，每一個(gè)主成分所提取的信息量可用其方差來(lái)度量。一般，第一主成分F1所含的信息量最大，因此，在所有的線性組合中選取的F1應(yīng)該是X1，X2，…，Xp的所有線性組合中方差最大的，故稱F1為第一主成分。如果F1不足以代表原來(lái)p個(gè)指標(biāo)的信息，那么再考慮選取第二個(gè)主成分指標(biāo)F2。為有效地反映原信息，F(xiàn)1已有的信息就不需要再出現(xiàn)在F2中，即F2與F1要保持獨(dú)立、不相關(guān)，所以F2是與F1不相關(guān)的X1，X2，…，Xp的所有線性組合中方差最大的，故稱F2為第二主成分，依此類推構(gòu)造出的F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m為原變量指標(biāo)X1，X2，…，Xp第一、第二、…、第m個(gè)主成分。

根據(jù)以上分析得知:Fi與Fj互不相關(guān)，即Cov(Fi，F(xiàn)j)=0，F(xiàn)1是X1，X2，…，Xp的一切線性組合(系數(shù)滿足上述要求)中方差最大的，即Fm是與F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m－1都不相關(guān)的X1，X2，…，Xp的所有線性組合中方差最大者。

2.2 樣本點(diǎn)選擇

樣本點(diǎn)的選擇決定模型的精度，因此選擇時(shí)樣本點(diǎn)的測(cè)井值應(yīng)盡可能地反映儲(chǔ)層的實(shí)際情況。文中按照下列原則選取樣本點(diǎn):

(1)剔除薄層和層界面處的樣本點(diǎn);

(2)剔除井徑及曲線變化異常點(diǎn);

(3)剔除明顯異常點(diǎn)。

2.3 巖性識(shí)別圖版

通過(guò)巖性敏感性分析，優(yōu)選聲波時(shí)差、自然伽馬相對(duì)值、補(bǔ)償中子、深感應(yīng)電阻率、深感應(yīng)電阻率/圍巖電阻率作為主成分分析法的輸入?yún)?shù)，根據(jù)三類巖性的42個(gè)樣本，分別計(jì)算第一、二主成分:

第一主成分－0.52×ΔGR+0.43×AC+0.530×φCNL－0.520×ΔR－0.490×ρRLLD;

第二主成分0.91×ΔGR+0.42×AC－0.036×φCNL－0.007×ΔR+0.043×ρRLLD。

應(yīng)用7口取心井35層資料(其中泥質(zhì)碳酸鹽巖類儲(chǔ)層18層，泥晶灰/云巖類9層，藻灰?guī)r類8層)，繪制巖性識(shí)別圖版，如圖2所示，圖版精度為94.3%。

圖2 儲(chǔ)層主成分交會(huì)圖Fig.2 Cross plot of principal component of reservoir

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用主成分分析法識(shí)別該區(qū)M油組巖性，并與FMI方法和取芯法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。全井段應(yīng)用FMI識(shí)別，對(duì)藻灰?guī)r的識(shí)別精度達(dá)到89%以上。以M－1井的識(shí)別結(jié)果(圖3)為例，F(xiàn)MI方法識(shí)別藻灰?guī)r311層，主成分分析法識(shí)別藻灰?guī)r260層，主成分分析法識(shí)別精度較高。由圖3可以看出，深度(h)1 485～1 495 m發(fā)育一層明顯的藻灰?guī)r儲(chǔ)層，進(jìn)一步證明主成分識(shí)別程序可以有效識(shí)別巖性。

圖3 M－1井測(cè)井識(shí)別巖性對(duì)比Fig.3 Comparison chart of logging lithology identification of M-1 well

將研究區(qū)5口重點(diǎn)井的取心段巖性與主成分識(shí)別巖性對(duì)比，對(duì)其中40個(gè)儲(chǔ)層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主成分分析法識(shí)別結(jié)果符合35層，識(shí)別精度為87.5%。以M－34井1 288～1 202 m取心段為例(圖4)，巖心巖性與主成分分析法判別巖性結(jié)果較一致。

圖4 M－34井巖心描述與測(cè)井識(shí)別對(duì)比Fig.4 Comparison chart of core description and logging identification of M-34 well

以上兩種方法驗(yàn)證結(jié)果表明，采用主成分分析法識(shí)別該區(qū)巖性效果較好，能夠滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

N油田M油組巖性復(fù)雜，運(yùn)用常規(guī)測(cè)井巖性識(shí)別方法難以滿足生產(chǎn)需求。為此，筆者在巖性歸類及測(cè)井響應(yīng)特征研究的基礎(chǔ)上，提出主成分分析法。應(yīng)用該方法制作圖版，并對(duì)研究區(qū)的巖性進(jìn)行識(shí)別。與FMI法及取芯法的對(duì)比結(jié)果表明，主成分分析法識(shí)別精度較高，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

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