基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元素錄井巖性識(shí)別方法研究及應(yīng)用

張志虎，譚偉雄，馬猛，杜波，徐昱

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

渤中22-23構(gòu)造帶位于渤海中南部海域，構(gòu)造深層發(fā)育碳酸鹽巖潛山油氣藏，為了更好地識(shí)別地層巖性，元素錄井技術(shù)成為該構(gòu)造帶勘探井的重要錄井技術(shù)手段[1]。元素錄井技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，目前針對(duì)元素錄井技術(shù)應(yīng)用和研究還停留在對(duì)巖石大類粗線條定性判斷階段[2-4]。為此，在元素錄井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，分析確定研究區(qū)主要巖性的敏感元素，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，開展元素錄井巖性識(shí)別方法研究，以提高復(fù)雜巖性現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別的準(zhǔn)確率。

1 元素錄井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

渤中22-x井和渤中23-y井同處于渤中22-23構(gòu)造帶，沉積背景及巖石特性基本相似，在東三段地層均發(fā)育有大段穩(wěn)定的泥巖，同時(shí)兩口井都測(cè)量有Mg、Ca、Si、Fe、S、P、Cl、K、Mn、Ti、Ba和Al共12種元素?cái)?shù)據(jù)。由于原始的元素錄井?dāng)?shù)據(jù)受儀器刻度、測(cè)量環(huán)境等因素的影響，不同井同類元素?cái)?shù)據(jù)之間必然存在著一定程度的系統(tǒng)誤差。

為消除此類誤差，以渤中23-y井為標(biāo)準(zhǔn)井，東三段穩(wěn)定泥巖段為標(biāo)準(zhǔn)層，利用頻率直方圖法對(duì)渤中22-x井元素錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[5]，使得兩井間的同類元素?cái)?shù)據(jù)更具有橫向?qū)Ρ刃?。以Mg元素為例，圖1（a）為標(biāo)準(zhǔn)井渤中23-y井在標(biāo)準(zhǔn)層?xùn)|三段泥巖層Mg元素的頻率分布圖，其主峰位于1.3%～1.5%；圖1（b）為渤中22-x井在標(biāo)準(zhǔn)層Mg元素的頻率分布圖，其主峰位于1.1%～1.3%；圖1（c）為渤中22-x井Mg元素經(jīng)過(guò)0.13%的校正后在標(biāo)準(zhǔn)層的頻率分布圖，其主峰與標(biāo)準(zhǔn)井基本一致。利用此方法對(duì)其他元素依次進(jìn)行校正，校正量見表1。

2 巖性敏感性分析

2.1 薄片鑒定巖樣統(tǒng)計(jì)分類

渤中22-23構(gòu)造帶共收集薄片鑒定巖樣52塊，參考勘探監(jiān)督手冊(cè)（地質(zhì)分冊(cè)）中巖石的分類準(zhǔn)則[6]，將52塊巖樣劃分為4類，其中泥巖類5塊，砂巖類4塊，白云巖類30塊，灰?guī)r類13塊。

2.2 渤中21-23構(gòu)造帶元素特征

2.2.1 主要巖性元素響應(yīng)特征

BZ22-23構(gòu)造帶鉆遇的主要巖石類型為：新生界碎屑巖和古生界碳酸鹽巖。整體上，碎屑巖主要成分為：石英（SiO2）、長(zhǎng)石（SiO2、Al2O3、Na2O、K2O）、云母（Fe、Al、K、Li等層狀結(jié)構(gòu)鋁硅酸鹽，顏色主要隨Fe含量的增多而變深）；碳酸鹽巖主要成分為：方解石（CaCO3）和白云石（CaMg(CO3)2）。

圖1 頻率分布圖

表1 渤中22-x井元素校正量

碎屑巖中Si含量高，碳酸鹽巖低；碳酸鹽巖中Ca、Mg含量高，碎屑巖含量低。碎屑巖可細(xì)分為砂巖、泥巖；其中砂巖Si含量高，泥巖Fe、Al含量高。碳酸鹽巖可細(xì)分為白云巖和灰?guī)r，其中白云巖Mg含量高，灰?guī)rCa含量高，如圖2所示。

2.2.2 巖性識(shí)別圖版的建立

碎屑巖中Si含量為20%～40%，Ca與Mg含量之和小于10%。而碳酸鹽巖中Ca與Mg含量之和為20%～40%，Si含量小于10%。因此，引入判別參數(shù)R=w(Si)/(w(Ca)+w(Mg))，當(dāng)R＞2.0時(shí)，圖版識(shí)別為碎屑巖；當(dāng)R＜0.5時(shí)，圖版識(shí)別為碳酸鹽巖，如圖3所示。

圖4 砂巖與泥巖分類圖版

在碎屑巖中，砂巖Si含量為30%～40%，F(xiàn)e與Al含量之和小于10%。而泥巖Fe與Al含量之和為10%～20%，Si含量小于30%。因此，引入判別參數(shù)R=(w(Fe)+w(Al))/(w(Si)-10%)，當(dāng)R＞0.5時(shí)，圖版識(shí)別為泥巖；當(dāng)R＜0.5時(shí)，圖版識(shí)別為砂巖，如圖4所示。

在碳酸鹽巖中，白云巖Ca含量小于25%，Mg含量大于4%。而灰?guī)rCa含量大于24%，Mg含量小于2%。因此，引入判別參數(shù)R=w(Mg)/(w(Ca)-15%)，當(dāng)R＞0.6時(shí)，圖版識(shí)別為白云巖；當(dāng)R＜0.1時(shí)，圖版識(shí)別為灰?guī)r；當(dāng)0.1＜R＜0.6時(shí)，為白云巖與灰?guī)r的混合帶，圖版無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別此類巖性，如圖5所示。

2.2.3 巖性敏感性元素的確定

渤中22-23構(gòu)造帶鉆遇巖性為新生界碎屑巖和古生界碳酸鹽巖。通過(guò)研究區(qū)的52塊實(shí)驗(yàn)薄片鑒定巖樣可將鉆遇巖性細(xì)分為砂巖、泥巖、白云巖及灰?guī)r4類。根據(jù)巖性識(shí)別圖版的建立，確定了影響研究區(qū)4類巖性的敏感性元素為：Si、Ca、Mg、Fe和Al元素。同時(shí)統(tǒng)計(jì)出了4類巖性敏感元素含量的分布范圍，見表2。

圖5 白云巖與灰?guī)r分類圖版

表2 敏感性元素含量分布范圍

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖性識(shí)別中的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自身特有的樣本學(xué)習(xí)能力，獲得巖性識(shí)別模式，具有很強(qiáng)的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、容錯(cuò)及抗干擾能力，克服了模糊數(shù)學(xué)、聚類分析和多元統(tǒng)計(jì)法的缺陷，識(shí)別結(jié)果更客觀可靠。元素錄井測(cè)量的元素?cái)?shù)據(jù)多樣，且地層中的巖性變化多樣，通過(guò)引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立起元素變化與巖性變化的關(guān)聯(lián)模式，可在排除人為干擾的條件下，實(shí)現(xiàn)元素錄井巖性的快速劃分，從而提高現(xiàn)場(chǎng)巖性識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種常用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能在采用已知學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤差方向傳播原理進(jìn)行訓(xùn)練并構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模式。訓(xùn)練過(guò)程分為兩種，一種是正向訓(xùn)練，另一種為反向訓(xùn)練。在正向訓(xùn)練過(guò)程中，信號(hào)從輸入層進(jìn)入，經(jīng)隱含層處理，然后在輸出層輸出，一旦輸出層得不到期望結(jié)果，則轉(zhuǎn)入反向訓(xùn)練。在反向訓(xùn)練中，誤差信號(hào)沿原路徑返回，并沿途自動(dòng)調(diào)整各層神經(jīng)元的權(quán)值和閥值，將誤差信號(hào)降低到可以接受的最低值[7]。

設(shè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為3層網(wǎng)絡(luò)，輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為i，隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為j，輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為k。則輸入層各神經(jīng)元的輸出為：

式中：ui為輸入層獲得的樣本數(shù)據(jù)。

隱含層各神經(jīng)元的輸出為：

式中：uj為隱含層獲得的綜合輸入信號(hào)，f(u)=(1+e-u)-1為活化函數(shù)，wij為輸入層和隱含層神經(jīng)元的權(quán)值，Tj為隱含層神經(jīng)元的閥值。

輸出層各神經(jīng)元的輸出為：

式中：uk為輸出層獲得的綜合輸入信號(hào)，wjk為隱含層和輸出層神經(jīng)元的權(quán)值，Tk為輸出層神經(jīng)元的閥值。

本文以研究區(qū)的實(shí)驗(yàn)薄片數(shù)據(jù)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)，研究區(qū)5種巖性敏感性元素（Si、Mg、Ca、Fe、Al）作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，因此，網(wǎng)絡(luò)輸入層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為5（i=5）。將研究區(qū)4種巖性類別（砂巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖）作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，因此網(wǎng)絡(luò)輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為4（k=4）。隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式（4）[8]確定：

式中：c為1～10的常數(shù)。當(dāng)輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)i=5，輸出神經(jīng)元個(gè)數(shù)k=4時(shí)，可計(jì)算得出隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為4～13，本文隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)設(shè)置為6（j=6）。

3.2 實(shí)例應(yīng)用與分析

渤中22-23構(gòu)造帶共收集實(shí)驗(yàn)薄片鑒定巖樣52塊，選取其中的45塊巖樣為樣本數(shù)據(jù)（泥巖類4塊、砂巖類3塊、白云巖類27塊、灰?guī)r類11塊）；7塊巖樣為驗(yàn)證數(shù)據(jù)（泥巖類1塊、砂巖類1塊、白云巖類3塊、灰?guī)r類2塊）。在研究區(qū)元素錄井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，以巖性敏感元素Si、Mg、Ca、Fe和Al作為判別參數(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)渤中22-x井和渤中23-y井進(jìn)行了巖性隨鉆識(shí)別，如圖6所示。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)巖性識(shí)別結(jié)果

對(duì)比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)巖屑錄井的判別結(jié)果，7塊薄片鑒定驗(yàn)證巖樣均與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判別結(jié)果相符，符合率為100%。而7塊薄片鑒定驗(yàn)證巖樣處的現(xiàn)場(chǎng)巖屑錄井判別結(jié)果，與4塊巖樣相符，3塊不相符，符合率僅為57.1%，見表3。這表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的元素錄井巖性識(shí)別方法的巖性識(shí)別準(zhǔn)確率較巖屑錄井有了明顯提高。

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)巖屑錄井的判別結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

1）對(duì)元素錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除了受儀器刻度、測(cè)量環(huán)境等因素影響原始元素錄井?dāng)?shù)據(jù)而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，使不同井間的同類元素更具有橫向?qū)Ρ刃浴?/p>

2）利用Ca與Mg含量之和與Si交會(huì)圖、Fe與Al含量之和與Si交會(huì)圖以及Mg與Ca交會(huì)圖，確定了渤中22-23構(gòu)造帶的巖性敏感性元素為Si、Ca、Mg、Fe和Al元素。

3）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了渤中22-23構(gòu)造帶元素錄井巖性識(shí)別方法，其解釋結(jié)果與實(shí)驗(yàn)薄片鑒定結(jié)果吻合較好，巖性識(shí)別符合率較巖屑錄井有較大的提高。