數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在碳酸鹽巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

黃 淵，廖明光，2，李 斌，2，胡曉蝶，胡雯雯

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;2.天然氣與地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)，四川 成都 610500;3.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000;4.中油西南油氣田分公司，四川 達(dá)州 635000)

引 言

儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，合理的儲(chǔ)層類型劃分標(biāo)準(zhǔn)可更深入、綜合地認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，有利于油氣藏的精細(xì)研究[1-4]。儲(chǔ)層分類的關(guān)鍵在于合理選擇評(píng)價(jià)參數(shù)和方法，傳統(tǒng)的儲(chǔ)層分類方法主要為多參數(shù)綜合定性分析法和人為劃定權(quán)重的半定量評(píng)價(jià)法[5-6]。在對(duì)川東北龍崗東地區(qū)龍會(huì)場(chǎng)—鐵山區(qū)塊儲(chǔ)層的研究中發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，裂縫及溶蝕孔洞發(fā)育較多，現(xiàn)有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)難以對(duì)該區(qū)進(jìn)行精細(xì)刻畫[7-11]，急需尋求新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層的有效評(píng)價(jià)。由此，本文引入了數(shù)據(jù)挖掘中的因子分析和聚類分析對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類，建立針對(duì)該區(qū)的儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得到更精準(zhǔn)的定量評(píng)價(jià)結(jié)果，比傳統(tǒng)定性分類更合理、全面。

1 方法與原理

數(shù)據(jù)挖掘是指從大量的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中通過算法搜索并提取隱藏的潛在信息的過程，常用的方法有分類、回歸分析、聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則和偏差分析等[12-14]。其中，因子分析是一種從多個(gè)相關(guān)變量中提取少數(shù)包含原始數(shù)據(jù)的大部分信息的共性因子的統(tǒng)計(jì)方法，本文用以確定變量權(quán)重;聚類分析是一種逐級(jí)歸類的數(shù)學(xué)方法，將性質(zhì)相近的歸為一類，并據(jù)此聚合形成一個(gè)由大到小分類的譜系圖[6，15]。

1.1 因子分析

假設(shè)有n個(gè)研究樣本，每個(gè)樣本有p項(xiàng)參數(shù)，所有原始數(shù)據(jù)集合可以用以下矩陣來表示:

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，去除異常點(diǎn)和原始量綱;再根據(jù)原始變量之間的相關(guān)系數(shù)r(因子載荷)大小來判斷數(shù)據(jù)間相關(guān)性強(qiáng)弱，用以確定數(shù)據(jù)是否適合進(jìn)行因子分析;將矩陣線性變化為公共因子Fi(i＜p)的表達(dá)式，求 Fi的特征根 λi(λ1，λ2，…，λp＞0)和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正交化特征向量eij，特征根即為公共因子Fi的方差貢獻(xiàn)，進(jìn)一步求得方差貢獻(xiàn)率T，選擇或T＞0.8的公共因子;旋轉(zhuǎn)因子eij命名解釋，求出Fi的因子得分(圖1)。

圖1 因子分析流程

1.2 層次聚類分析

層次聚類又稱系統(tǒng)聚類，自動(dòng)生成不同分類方案的聚類結(jié)果。本文選擇歐氏距離來描述樣本間的相似程度，選用離差平方和法來描述類間距離。從樣本間到類間，按照對(duì)比、并類的聚合原則反復(fù)進(jìn)行，直至所有樣本歸為一類為止(圖2)。

圖2 層次聚類分析流程

2 儲(chǔ)層類型劃分

2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

龍崗東地區(qū)龍會(huì)場(chǎng)—鐵山區(qū)塊構(gòu)造位于四川省達(dá)州市西南方，開江—梁平海槽西側(cè)，區(qū)內(nèi)自西向東分布龍會(huì)場(chǎng)、華鎣山北傾沒端和鐵山構(gòu)造，面積約為978 km2。區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)鮞粒灘氣藏位于下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組，主要為鮞粒白云巖，碳酸鹽巖臺(tái)地沉積。鐵山區(qū)塊長(zhǎng)興生物礁氣藏位于上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組，以礁灰?guī)r和礁云巖為主，屬于碳酸鹽巖深緩坡與海槽過渡相帶中的陸棚邊緣生物礁沉積。儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，多為低孔、低滲裂縫—孔隙型儲(chǔ)層[7-10]。

2.2 參數(shù)優(yōu)選和因子分析

在4口取心井產(chǎn)層段取60個(gè)樣品，優(yōu)選了巖心孔隙度、巖心滲透率(克氏值)、儲(chǔ)層厚度、含水飽和度、自然伽馬(GR)曲線值和聲波時(shí)差(AC)曲線值作為分析指標(biāo)?？紫抖确从硟?chǔ)層的儲(chǔ)集性能，滲透率反映巖石的滲流能力，儲(chǔ)層厚度反映儲(chǔ)層的發(fā)育程度，GR曲線判斷沉積能量的高低[1]，AC值反應(yīng)巖層孔隙空間好壞。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析(表1)。

表1 公共因子方差分析

選取因子1、2、3和4作為公共因子。F1在AC值、孔隙度上的系數(shù)最大，命名為孔隙性因子;同理，F(xiàn)2、F3、F4可分別命名為含油氣性因子、滲透性因子、儲(chǔ)集規(guī)模因子。根據(jù)表1可知，孔隙性因子和含油氣性因子的方差貢獻(xiàn)率最大，是影響此次儲(chǔ)層分類的重要因素。

使用回歸法求出因子得分系數(shù)矩陣，得公共因子得分函數(shù):

式中:H為儲(chǔ)層厚度，m;φ為孔隙度，%;K為滲透 率，10-3μm2;QGR為 GR值，API;SW為含水飽和度，%;TAC為 AC 值，μs/m。

根據(jù)4個(gè)公共因子的得分對(duì)該區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行聚類分析，得到龍會(huì)場(chǎng)—鐵山儲(chǔ)層分類譜系圖(圖3)。

圖3 龍會(huì)場(chǎng)—鐵山儲(chǔ)層分類譜系圖

2.3 聚類結(jié)果及特征

由圖3可知，當(dāng)距離系數(shù)為6時(shí)，所有樣品明顯地分為4類，絕大多數(shù)均勻歸納為A、B和C類儲(chǔ)層，極少部分樣品為D類。D類儲(chǔ)層中，42號(hào)樣品表現(xiàn)異常突出，經(jīng)分析此樣品可能是由于該地區(qū)儲(chǔ)層的高度非均質(zhì)性造成的一類特殊儲(chǔ)層，現(xiàn)象不具普遍性，不參與統(tǒng)計(jì)及分析。從A類到D類，物性由好變差，4類儲(chǔ)層指標(biāo)范圍跨度均較大，呈較強(qiáng)非均質(zhì)性(表2)。

表2 儲(chǔ)層分類參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 聚類結(jié)果的巖石學(xué)特征和沉積特征分析

圖3中C、D類儲(chǔ)層最相似，2類儲(chǔ)層沉積微相也極為相似(表3)，從數(shù)據(jù)上看C類比D類略好(表2)，但D類在沉積旋回上的分布更接近Ⅳ旋回，低能環(huán)境增多，云質(zhì)鮞狀灰?guī)r的發(fā)育變薄，儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能更差。此外，A類儲(chǔ)層的低伽馬、高聲波測(cè)井響應(yīng)特征以及較高巖心孔滲數(shù)據(jù)和其他3類儲(chǔ)層有著明顯差異，因其位于高能帶的臺(tái)緣鮞粒壩，水動(dòng)力較強(qiáng)，經(jīng)地表淡水淋濾作用等后期改造，鮞狀云巖常被溶蝕形成大量溶蝕孔而成為良好儲(chǔ)層[16-22]，儲(chǔ)集性能優(yōu)于鮞狀灰?guī)r。據(jù)此，聚類結(jié)果中A、B類儲(chǔ)層優(yōu)于C、D類儲(chǔ)層，該結(jié)論與前人總結(jié)的臺(tái)緣礁灘比臺(tái)內(nèi)鮞水動(dòng)力更強(qiáng)、儲(chǔ)集性能更優(yōu)[8-9]的研究成果吻合。

表3 儲(chǔ)層類型和巖性、沉積微相對(duì)應(yīng)關(guān)系

總之，聚類分析綜合了各類地質(zhì)參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層定量區(qū)分的同時(shí)，也自發(fā)地把沉積環(huán)境的影響作為了約束條件之一，與該地區(qū)儲(chǔ)層相控特征吻合;所得結(jié)論地質(zhì)意義明確，儲(chǔ)層發(fā)育與沉積相帶分布密切相關(guān)，聚類結(jié)果亦可用于識(shí)別儲(chǔ)層發(fā)育的有利沉積相帶和儲(chǔ)集巖。

2.5 建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)聚類結(jié)果中相關(guān)參數(shù)的正態(tài)分布，建立儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表4)，將儲(chǔ)層分為4類。

A類儲(chǔ)層多發(fā)育于臺(tái)緣鮞灘(壩)，巖性常見鮞狀云巖，整體特征呈高聲波、低伽馬、中孔、中滲、低含水;B類儲(chǔ)層，多發(fā)育于臺(tái)緣生物礁和臺(tái)緣生屑灘，以礁云巖、灰質(zhì)云巖為主，整體呈低聲波、高伽馬、低孔、中滲、含水;C類儲(chǔ)層，主要分布于臺(tái)內(nèi)鮞粒灘，潟湖次之，以鮞狀灰?guī)r、灰質(zhì)云巖為主，少見泥晶灰?guī)r，呈現(xiàn)低聲波、高伽馬、低孔、低滲、高含水的特征;D類儲(chǔ)層，多見分布于潟湖和臺(tái)內(nèi)鮞粒灘，巖性多為泥晶灰?guī)r，整體的特征與較差儲(chǔ)層相同。

表4 研究區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)

新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沿襲經(jīng)典將儲(chǔ)層也分為好、較好、較差以及差儲(chǔ)層4類;類別下限與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性較強(qiáng);新標(biāo)準(zhǔn)將前人分類中該區(qū)儲(chǔ)層分布較多的Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類儲(chǔ)層進(jìn)行了更細(xì)致地分類與歸納，大大提高了不同儲(chǔ)層的區(qū)分度，更適于此地區(qū)強(qiáng)非均質(zhì)性儲(chǔ)層(圖4)。

圖4 T5井儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)圖

2.6 實(shí)例應(yīng)用分析

結(jié)合研究區(qū)單井及多井實(shí)際日產(chǎn)量資料分析。采用新儲(chǔ)層定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，J1井和T8井以C類儲(chǔ)層為主，少量D類，T13井以A、C類儲(chǔ)層為主，T14井主要為B類儲(chǔ)層。經(jīng)測(cè)試，在飛仙關(guān)鮞粒灘，J1井獲得工業(yè)氣流0.43×104m3/d，產(chǎn)水高達(dá)362 m3/d;T8井產(chǎn)氣微量，產(chǎn)水26.4 m3/d;T13井產(chǎn)氣78.11×104m3/d，無出水現(xiàn)象。T14井則在長(zhǎng)興礁灘上高產(chǎn)氣118.02×104m3/d。主要含A、B類儲(chǔ)層的T13、T14井產(chǎn)氣量遠(yuǎn)高于含C、D類儲(chǔ)層的J1、T8井，其中含B類儲(chǔ)層的T14井產(chǎn)量略高于含A、C類的T13井。

T5井在飛仙關(guān)組鮞灘(壩)上日產(chǎn)氣量為34.64×104m3/d，在長(zhǎng)興組礁灘上日產(chǎn)氣量為50.10×104m3/d，采用現(xiàn)有儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，此段儲(chǔ)層基本都為Ⅲ類，不同分布的儲(chǔ)層間差異無法體現(xiàn)。使用新分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，飛仙關(guān)組儲(chǔ)層主要為A類，C類次之，長(zhǎng)興組儲(chǔ)層以B類為主。根據(jù)圖4可知，主產(chǎn)氣段儲(chǔ)層主要是A、B兩類，C類較少，未見D類;B類儲(chǔ)層產(chǎn)氣量略大于A、C類混層段，可見，單井上高產(chǎn)層段的分布與新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。多井間和單井的分析都表明，A、B類儲(chǔ)層產(chǎn)量明顯優(yōu)于C、D類儲(chǔ)層;A類儲(chǔ)層常與C類共存，總體產(chǎn)量略遜于B類儲(chǔ)層。

根據(jù)定量分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)編制各類儲(chǔ)層的平面分布圖(圖5、6)，龍會(huì)場(chǎng)區(qū)塊飛仙關(guān)組主要分布A、C類儲(chǔ)層，長(zhǎng)興組儲(chǔ)層基本不發(fā)育。鐵山區(qū)塊飛仙關(guān)組儲(chǔ)層分布面積較廣，A、B類儲(chǔ)層為主，鐵山南區(qū)域可見A類儲(chǔ)層零星分布;鐵山長(zhǎng)興組則以C類儲(chǔ)層為主，B類儲(chǔ)層集中鐵山南地區(qū)分布。

綜上所述，該儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論與實(shí)際生產(chǎn)井產(chǎn)能情況吻合，好儲(chǔ)層井對(duì)應(yīng)高產(chǎn)氣井，好儲(chǔ)層段對(duì)應(yīng)高產(chǎn)層段，與現(xiàn)有儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比較，新評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未能達(dá)到的區(qū)分精度，評(píng)價(jià)效果更好，更適用于該地區(qū)強(qiáng)非均質(zhì)性儲(chǔ)層的精細(xì)刻畫。

3 結(jié)論

(1)優(yōu)選巖心和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、突出地質(zhì)意義，通過層次聚類分析將儲(chǔ)層分為4類;從A類到D類儲(chǔ)層，各參數(shù)值呈現(xiàn)規(guī)律遞變，整體儲(chǔ)集性能由好變差。

圖5 飛仙關(guān)組儲(chǔ)層平面分布

圖6 長(zhǎng)興組儲(chǔ)層平面分布

(2)4類儲(chǔ)層區(qū)分度高，A、B類優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層多發(fā)育于臺(tái)緣礁灘白云巖，反映了該地區(qū)儲(chǔ)層的相控分布特征，與前人研究結(jié)論一致，獲得定量與定性的統(tǒng)一。

(3)儲(chǔ)層定量分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高了儲(chǔ)層對(duì)比精度，突出了儲(chǔ)層分布和沉積環(huán)境的密切聯(lián)系，經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)資料驗(yàn)證，評(píng)價(jià)效果優(yōu)于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，更適于本區(qū)強(qiáng)非均質(zhì)性儲(chǔ)層的精細(xì)研究。

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