松遼盆地火山巖巖性測(cè)井識(shí)別方法研究

周金昱，郭浩鵬，張少華 （中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018）

肖亮 （中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

火山巖巖性復(fù)雜，其礦物成分不僅包括石英、長(zhǎng)石，還包括角閃石、橄欖石、輝石、云母等礦物；從化學(xué)成分上看，以SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO、K2O、Na2O、H2O等氧化物為主，這些氧化物在各類(lèi)火山巖中或多或少均有出現(xiàn)；從巖石結(jié)構(gòu)上看，有火山碎屑巖、火山熔巖、火山碎屑熔巖[1～5]。即使是同一種巖性的火山巖，由于其礦物成分含量有差異，加之孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)等不同，在測(cè)井響應(yīng)上會(huì)有較大的變化范圍，給測(cè)井資料識(shí)別火山巖巖性帶來(lái)困難[6～13]。

巖性識(shí)別是火山巖油氣藏測(cè)井精細(xì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[14]。松遼盆地深層鉆遇了多期次火山巖地層，該區(qū)以酸性火山巖為主，也有部分中性和基性巖。針對(duì)測(cè)井識(shí)別火山巖巖性困難的情況，筆者在火山巖巖石學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，分析、總結(jié)了松遼盆地火山巖測(cè)井響應(yīng)規(guī)律，建立了松遼盆地火山巖巖性測(cè)井識(shí)別方法。

1 火山巖巖石學(xué)特征及測(cè)井響應(yīng)規(guī)律

火山巖各種氧化物之間存在著內(nèi)在關(guān)系，具有一定的規(guī)律性[14，15]，如圖1所示。由圖1可知，從基性巖、中性巖到酸性巖，隨著SiO2（密度2.65g/cm3）體積分?jǐn)?shù)的增加，MgO （密度3.58g/cm3）和FeO（密度5.70g/cm3）體積分?jǐn)?shù)逐漸減少；而CaO （密度3.35g/cm3）和 Al2O3（密度3.97g/cm3）體積分?jǐn)?shù)先升后降，當(dāng)SiO2體積分?jǐn)?shù)在45%～50%之間時(shí)達(dá)到峰值，SiO2體積分?jǐn)?shù)大于50%時(shí)呈明顯下降趨勢(shì)；而密度相對(duì)較小的氧化物Na2O（密度2.27g/cm3）和 K2O （密度2.32g/cm3）體積分?jǐn)?shù)則隨著SiO2體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。因此可以推斷，對(duì)于火山巖，若不考慮其孔隙度、流體性質(zhì)等因素的變化，從基性巖、中性巖到酸性巖，巖石密度將整體上呈減小的趨勢(shì)。以此為指導(dǎo)，分析了松遼盆地密度測(cè)井響應(yīng)特征 （圖2（a）），并結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地火山巖資料[14]（圖2（b）），總結(jié)了松遼盆地火山巖測(cè)井響應(yīng)規(guī)律為：從基性巖、中性巖到酸性巖，密度測(cè)井響應(yīng)逐漸減小。

圖1 火山巖SiO2與其他氧化物體積分?jǐn)?shù)關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn) [14]、[15]）

圖2 松遼盆地火山巖密度測(cè)井響應(yīng)柱狀圖

巖石的天然放射性是由巖石中放射性同位素 （238U、232Th、40K）引起的，放射性同位素含量越高，其放射性強(qiáng)度越大[16，17]。準(zhǔn)噶爾盆地對(duì)不同巖性火山巖樣品進(jìn)行了鈾、釷、鉀放射性同位素含量的測(cè)定 （圖3（a）），試驗(yàn)結(jié)果表明，從基性巖、中性巖到酸性巖，鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（K）和釷、鈾的質(zhì)量濃度ρ（Th）、ρ（U）均增加，巖石放射性增加[14]。筆者針對(duì)松遼盆地不同巖性火山巖進(jìn)行了放射性測(cè)井響應(yīng)特征分析，利用自然伽馬能譜測(cè)井資料繪制測(cè)井響應(yīng)柱狀圖 （圖3（b）），其變化規(guī)律與準(zhǔn)噶爾盆地試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖3 松遼盆地火山巖天然放射性統(tǒng)計(jì)圖

利用相似的方法對(duì)松遼盆地火山巖的電學(xué)、聲學(xué)等特性和相應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，最終得到了對(duì)火山巖巖性敏感的測(cè)井參數(shù)，主要包括：自然伽馬 （qAPI）、ρ（U）、ρ（Th）、w（K）、密度 （ρ）、補(bǔ)償中子孔隙度 （nc）、泊松比 （ν）、聲波時(shí)差 （Δt）與ρ計(jì)算的參數(shù)M、nc與ρ計(jì)算的參數(shù)N[16]。

2 巖性識(shí)別方法

由于常規(guī)測(cè)井主要反映巖石化學(xué)成分，對(duì)巖石結(jié)構(gòu)識(shí)別能力較差[14，15]，為了利用常規(guī)測(cè)井劃分巖性，按照化學(xué)成分將研究區(qū)火山巖分為玄武巖類(lèi)、粗面巖類(lèi)、安山巖類(lèi)、流紋巖類(lèi)共4大類(lèi)。同一巖類(lèi)巖石化學(xué)成分接近，但巖石結(jié)構(gòu)可能不同。

2.1 交會(huì)圖法

測(cè)井交會(huì)圖法是識(shí)別火山巖巖性直觀而且有效的方法。兩種測(cè)井參數(shù)在平面上交會(huì)，根據(jù)交會(huì)點(diǎn)的坐標(biāo)定出所求巖類(lèi)的數(shù)值和范圍[16，17]。在交會(huì)圖上能夠直觀地得到各種巖性的分布區(qū)域及巖性之間的分界，從而得到巖性識(shí)別圖版。對(duì)研究區(qū)錄井、測(cè)井、巖心等資料進(jìn)行分析，讀取10口探井巖性確定段的測(cè)井響應(yīng)值，利用對(duì)巖性敏感的測(cè)井參數(shù)，兩兩作交會(huì)圖。在得到的所有交會(huì)圖版中，qAPI－ρ（Th）交會(huì)圖版 （圖4（a））識(shí)別效果最好，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)93.0%；但研究區(qū)部分井未進(jìn)行自然伽馬能譜測(cè)井，這種情況下可采用qAPI－ρ交會(huì)圖版 （圖4（b）），識(shí)別準(zhǔn)確率為87.3%。

圖4 松遼盆地火山巖巖性識(shí)別圖版

2.2 支持向量機(jī)技術(shù)

利用研究區(qū)薄片鑒定資料檢驗(yàn)交會(huì)圖版對(duì)未知巖性的預(yù)測(cè)能力，97條薄片鑒定數(shù)據(jù)中，有76條被正確地識(shí)別到所屬巖類(lèi)，識(shí)別準(zhǔn)確率為78.4%。為了提高在沒(méi)有自然伽馬能譜測(cè)井資料時(shí)巖性識(shí)別的準(zhǔn)確率，引入了支持向量機(jī)技術(shù)建立巖性識(shí)別模型。

支持向量機(jī)是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)VC維 （Vapnik－Chervonenkis dimension）理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，它以訓(xùn)練誤差作為優(yōu)化問(wèn)題的約束條件，以置信范圍最小化為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)造函數(shù)，并將函數(shù)轉(zhuǎn)化為二次規(guī)劃凸優(yōu)化問(wèn)題來(lái)求解，保證解的唯一性和全局最優(yōu)性。它的基本思想是在線性可分的數(shù)據(jù)中尋找最大邊緣超平面，使其不僅能正確分開(kāi)二元樣本，而且泛化誤差最小。在非線性情況下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)空間變換，將非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為高維空間的線性問(wèn)題，在高維空間中尋找最大邊緣超平面[18～20]。

以研究區(qū)10口井416條數(shù)據(jù) （與交會(huì)圖數(shù)據(jù)相同）為訓(xùn)練集，其中玄武巖類(lèi)94條，粗面巖類(lèi)43條，安山巖類(lèi)85條，流紋巖類(lèi)194條。同樣以研究區(qū)薄片鑒定資料為測(cè)試集，測(cè)試集共97條，其中玄武巖23條，粗面巖15條，安山巖7條，流紋巖52條。訓(xùn)練集和測(cè)試集的屬性為：qAPI、nc、ρ、深側(cè)向電阻率 （ρlld）、M、N。利用訓(xùn)練集建立支持向量機(jī)巖性識(shí)別模型，采用RBF（radial basis function）核函數(shù)，由于模型參數(shù)中懲罰因子C和核函數(shù)參數(shù)γ是影響模型精度的關(guān)鍵參數(shù)，利用Weka軟件提供的網(wǎng)格搜索工具對(duì)參數(shù)尋優(yōu)，得到最優(yōu)參數(shù)C＝256，γ＝power（2，－15）。訓(xùn)練集416條數(shù)據(jù)中，369條被模型正確識(shí)別出巖性，模型精度為88.7%。將支持向量機(jī)模型應(yīng)用于測(cè)試集，效果如表1所示。分析可知支持向量機(jī)模型精度 （88.7%）比常規(guī)交會(huì)圖法精度 （87.3%）略高；而其推廣能力遠(yuǎn)好于常規(guī)交會(huì)圖法，其對(duì)測(cè)試集的識(shí)別準(zhǔn)確率85.6%，而常規(guī)交會(huì)圖法只有78.4%。因此，可將支持向量機(jī)模型作為研究區(qū)巖性識(shí)別的工具。

表1 支持向量機(jī)模型在測(cè)試集上的應(yīng)用效果

3 實(shí)際應(yīng)用效果

將支持向量機(jī)模型應(yīng)用于研究區(qū)實(shí)際井資料的處理。圖5為支持向量機(jī)模型對(duì)松遼盆地CY4井火山巖巖性識(shí)別成果圖。將模型識(shí)別結(jié)果與該井巖石薄片鑒定結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，只有在深度點(diǎn)為4221.50m時(shí)識(shí)別錯(cuò)誤，該深度點(diǎn)巖石薄片鑒定結(jié)論為 “粗面質(zhì)角礫巖”，模型識(shí)別結(jié)果為 “安山巖類(lèi)”，該點(diǎn)的測(cè)井響應(yīng)可能是受到了下部安山巖地層的影響，導(dǎo)致了識(shí)別錯(cuò)誤。其他點(diǎn)模型識(shí)別結(jié)果均與巖石薄片鑒定結(jié)論相符，均識(shí)別正確，精確度為87.5%，顯示了支持向量機(jī)模型良好的應(yīng)用效果。

圖5 CY4井巖性識(shí)別結(jié)果與巖石薄片鑒定結(jié)論對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)火山巖巖石學(xué)特征及測(cè)井響應(yīng)規(guī)律的研究，得到對(duì)火山巖巖性敏感的參數(shù)，包括qAPI、ρ（U）、ρ（Th）、w（K）、ρ、nc、ν等。該認(rèn)識(shí)具有一定的普遍意義。

2）利用對(duì)巖性敏感的測(cè)試參數(shù)兩兩作交會(huì)圖建立巖性識(shí)別圖版，qAPI－ρ（Th）交會(huì)圖和qAPI－ρ交會(huì)圖識(shí)別效果較好。

3）利用支持向量機(jī)技術(shù)建立巖性識(shí)別模型，并用網(wǎng)格搜索法優(yōu)化模型參數(shù)，得到最優(yōu)模型的精度及預(yù)測(cè)能力均好于交會(huì)圖版法。將支持向量機(jī)模型應(yīng)用于實(shí)際井資料的處理，處理結(jié)果與薄片鑒定資料對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的可用性。研究方法對(duì)解決同類(lèi)地質(zhì)問(wèn)題有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

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