無監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地震屬性聚類方法在沉積相研究中的應(yīng)用

王天云 韓小鋒 許海紅 孫小萍 李 陶 侯 艷

(①東方地球物理公司，河北涿州 072751；②中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710054)

0 引言

基于地震資料開展地震相—沉積相研究，經(jīng)過長期發(fā)展至今已成為一項(xiàng)具有重要意義的基礎(chǔ)性工作。以往主要是研究人員通過觀察地震反射特征(振幅、頻率、相位、反射結(jié)構(gòu)等)，與建立的標(biāo)準(zhǔn)地震相特征進(jìn)行對(duì)比，從而劃分地震相[1]。但判斷地震相具有很強(qiáng)的主觀性，依賴于解釋人員的經(jīng)驗(yàn)。為了更好地挖掘蘊(yùn)涵在地震資料中的信息，應(yīng)用地震屬性輔助沉積相識(shí)別的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展到現(xiàn)今，地震屬性技術(shù)已頗為成熟，依托地震資料提取的地震屬性可達(dá)數(shù)十余種[2-3]。單純的某一種屬性僅能反映沉積相的某些特征，如果將多種屬性綜合在一起，則可以更好地刻畫沉積體變化規(guī)律[4-5]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在油氣勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，如巖性識(shí)別、流體自動(dòng)識(shí)別、儲(chǔ)層橫向預(yù)測等[6-9]。當(dāng)研究區(qū)樣本點(diǎn)足夠多且分布均勻時(shí)，多采用有監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；當(dāng)樣本點(diǎn)稀少時(shí)，多采用無監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。多年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地震相分析方法頗受青睞[10-12]，它完全基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，極大地降低了人為因素的干擾。將時(shí)頻分析、瞬時(shí)屬性、幾何結(jié)構(gòu)屬性、彈性參數(shù)反演等結(jié)果與自組織分析技術(shù)(SOMA)方法結(jié)合，可自動(dòng)劃分和識(shí)別地震相。

研究區(qū)為銀額盆地蘇紅圖坳陷東部艾特格勒凹陷，為油氣勘探新區(qū)，勘探程度較低，受限于地質(zhì)資料及鉆井較少，對(duì)于其沉積特征分析還不充分，制約了該地區(qū)的進(jìn)一步勘探。本文應(yīng)用基于SOMA的無監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，將優(yōu)選后的高維空間地震屬性數(shù)據(jù)投影到低維空間，再在傳統(tǒng)地震相識(shí)別的基礎(chǔ)上，通過人機(jī)交互分析，確定地震屬性種類，將聚類結(jié)果返回到原始空間，完成地震相識(shí)別與分析[13-16]。 實(shí)際應(yīng)用表明，利用SOMA能夠有效縮減數(shù)據(jù)樣本空間，縮短運(yùn)算時(shí)間，在油氣勘探新區(qū)鉆井較少的背景下，提供一個(gè)更客觀準(zhǔn)確的全局解，為艾特格勒凹陷的進(jìn)一步勘探提供幫助。

1 研究區(qū)概況

艾特格勒凹陷位于銀額盆地蘇紅圖坳陷中東部(圖1)，區(qū)內(nèi)鉆井稀少，勘探程度低。以往的油氣勘探、開發(fā)主要針對(duì)其鄰區(qū)哈日凹陷、巴北凹陷等地區(qū)展開。

艾特格勒凹陷是在石炭—二疊系褶皺基底上發(fā)育起來的中新生代斷陷，可進(jìn)一步細(xì)分為南、北兩個(gè)次凹(由于現(xiàn)有資料有限，次凹形態(tài)范圍僅示意性表示)。艾特格勒凹陷中生代構(gòu)造演化受燕山運(yùn)動(dòng)影響，其中白堊紀(jì)主要受到燕山III幕至燕山V幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，控制著斷拗轉(zhuǎn)換、凹陷沉積等。在白堊紀(jì)湖平面逐漸降低，巖性粒度逐漸變粗，發(fā)生了由湖相向三角洲相的過渡，相繼沉積了巴音戈壁組、蘇紅圖組、銀根組、烏蘭蘇海組[17-18]。

圖1 艾特格勒凹陷北次凹區(qū)域構(gòu)造位置圖

圖2 艾特格勒凹陷區(qū)域?qū)有騽澐旨暗貙又鶢顖D

艾特格勒凹陷北次凹整體可劃分為構(gòu)造緩坡區(qū)、深洼區(qū)、陡坡區(qū)，構(gòu)造形態(tài)完整。研究區(qū)內(nèi)蘇紅圖組沉積期，以發(fā)育濱淺湖相沉積為主，下段巖性以深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，上段巖性向棕褐色泥巖過渡(圖2)。

2 基于SOMA的地震相—沉積相研究方法

2.1 SOMA

SOMA的核心是自組織映射(SOM)，模型由兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，輸入層與輸出層全連接，輸出層各神經(jīng)元間為側(cè)抑制連接，存在競爭，采用歐氏距離作為相似性評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖3)。

SOM學(xué)習(xí)算法包括最優(yōu)匹配神經(jīng)元的選擇和網(wǎng)絡(luò)中連接權(quán)值的自組織過程。每執(zhí)行一次學(xué)習(xí)，SOM網(wǎng)絡(luò)就會(huì)對(duì)外部輸入模式進(jìn)行一次自組織適應(yīng)過程，求出獲勝神經(jīng)元，修改相應(yīng)連接權(quán)值[19]。

2.1.1 最優(yōu)匹配神經(jīng)元的選擇

設(shè)有外部輸入信號(hào)Xi，Qij是輸入神經(jīng)元i到輸出神經(jīng)元j之間的連接權(quán)值。輸入信號(hào)Xi和連接權(quán)值Qij的匹配程度用歐氏距離Lo來表示，歐氏距離越小，匹配程度越好。歐氏距離通過下式計(jì)算

(1)

由式(1)計(jì)算出的最小歐氏距離對(duì)應(yīng)的就是最優(yōu)匹配的神經(jīng)元C，即獲勝節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 權(quán)系數(shù)的自組織

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)率δ(t)隨時(shí)間t增加而逐漸趨近于0，以保證學(xué)習(xí)過程收斂。根據(jù)輸出神經(jīng)元j是否為獲勝節(jié)點(diǎn)C鄰域范圍Mc內(nèi)的神經(jīng)元，需要對(duì)權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，最后終結(jié)在神經(jīng)元C處，完成對(duì)輸入信號(hào)的聚類過程。權(quán)值調(diào)整公式為

(2)

圖3 SOM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)鄰域圖據(jù)文獻(xiàn)[6]、[9]修改

2.2 地震相—沉積相研究流程

應(yīng)用SOMA技術(shù)通過直接分析未知數(shù)據(jù)體進(jìn)行無監(jiān)督地質(zhì)分析，能夠?qū)⒀芯空叩牡刭|(zhì)認(rèn)識(shí)與計(jì)算機(jī)分析技術(shù)相結(jié)合，在無井或少井區(qū)半定量地進(jìn)行地震相分析或標(biāo)定儲(chǔ)層類型，克服單一人為分析主觀性強(qiáng)、不同地震屬性分析結(jié)果差異大的缺點(diǎn)，提高分析結(jié)果的可靠性。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先提取多種不同類型的地震屬性，通過屬性相關(guān)性分析完成屬性優(yōu)選；由地質(zhì)解釋人員結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景及實(shí)際地震相特征，確定屬性數(shù)，開展SOMA屬性聚類分析，劃分地震相；再結(jié)合單井沉積相分析結(jié)果，充分利用鄰區(qū)已有地震相—沉積相發(fā)育規(guī)律認(rèn)識(shí)，得到最終的沉積相劃分結(jié)果(圖4)。

圖4 應(yīng)用SOMA屬性聚類分析沉積相流程

3 應(yīng)用效果

3.1 蘇紅圖組底界特征

研究區(qū)內(nèi)僅有探井1口(M1井)，通過井震標(biāo)定及區(qū)域地震反射特征對(duì)比識(shí)別目的層蘇紅圖組底界。在研究區(qū)不同位置，蘇紅圖組與其下伏巴音戈壁組界面接觸關(guān)系表現(xiàn)出不同的形式，主要可識(shí)別出3種接觸關(guān)系特征，分別為上超/削截不整合面、整合/削截不整合面、整合面或假整合面(依據(jù)是否存在沉積間斷區(qū)分)(圖5)。

上超/削截不整合面一般發(fā)育于凹陷緩坡帶邊緣，以艾特格勒凹陷北次凹西北部最為常見，界面之下地層抬升掀斜發(fā)生較強(qiáng)剝蝕，上覆地層在水進(jìn)條件下上超于剝蝕面上。整合/削截不整合面一般發(fā)育于凹陷陡坡帶邊緣，艾特格勒凹陷南次凹分布最廣，界面之下地層抬升掀斜、剝蝕較強(qiáng)，上覆地層沉積較穩(wěn)定；整合或假整合面一般發(fā)育于凹陷深洼區(qū)內(nèi)部，研究區(qū)內(nèi)由于測線較少，只從界面上、下地層地震反射特征差異進(jìn)行分析，而具體是整合還是假整合接觸關(guān)系，不做進(jìn)一步說明(圖6)。

3.2 屬性提取與優(yōu)選

地震屬性是以地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過某種特定數(shù)學(xué)變換得到表征地震數(shù)據(jù)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、幾何形態(tài)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的度量值。隨著地震屬性技術(shù)的發(fā)展，屬性種類越來越多，關(guān)鍵是如何在眾多屬性中優(yōu)選出合適的屬性解決地質(zhì)問題。

與地震相—沉積相分析相關(guān)的地震屬性包括幾何外形、內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)、頻率、連續(xù)性等。本研究基于GeoEast軟件，針對(duì)目的層蘇紅圖組，提取了包括瞬時(shí)類、振幅類、頻譜類、自相關(guān)類、其他類等7類53種屬性，結(jié)合剖面地震相特征和測井地質(zhì)資料，從中進(jìn)行優(yōu)選分析，剔除對(duì)地震相反映不敏感的地震屬性，為后續(xù)屬性聚類分析奠定基礎(chǔ)。

圖5 蘇紅圖組底界典型地震反射特征

圖6 過M1井L2線地震剖面解釋成果

在53種屬性中，首先選出了11種較敏感的屬性，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)(圖7)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果中相關(guān)系數(shù)值越高(背景顏色越偏暖色)，表明兩種屬性的相關(guān)性越好。

綜合分析研究區(qū)屬性統(tǒng)計(jì)結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)相關(guān)系數(shù)>0.8時(shí)，指示兩種屬性中有一種為冗余屬性，可以去除；當(dāng)相關(guān)系數(shù)<0.2時(shí)，指示兩種屬性基本沒有相關(guān)性，不適宜選用開展屬性聚類分析。

地震屬性相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，混沌李指數(shù)(LyapIndex)、分形關(guān)聯(lián)維(FrctDim)、信息熵(InfoEntr)、均方根振幅(RMSAmp)4種地震屬性間相關(guān)系數(shù)為0.25～0.75，可作為聚類分析的基礎(chǔ)，其他各類優(yōu)選后的屬性相關(guān)系數(shù)極低，相關(guān)系數(shù)為0.01～0.15，即可剔除。

少井區(qū)樣本點(diǎn)有限，通過屬性優(yōu)選分析，能夠有效減少基于無監(jiān)督神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法屬性聚類過程中的盲目性和多解性。

3.3 屬性聚類分析

針對(duì)研究區(qū)井點(diǎn)少的實(shí)際情況，選用SOMA方法開展屬性聚類分析。

在綜合分析融合多屬性結(jié)果的過程中，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)的人機(jī)交互分析是決定最終地震相—沉積相解釋成果的關(guān)鍵，選定聚類數(shù)并對(duì)密度值進(jìn)行符合區(qū)域地質(zhì)沉積背景的調(diào)整是重點(diǎn)。

圖7 蘇紅圖組地震屬性相關(guān)系數(shù)矩陣

為了確定合適的分類參數(shù)，本文在艾特格勒凹陷北次凹開展了剖面地震相識(shí)別工作，共識(shí)別出至少6種地震相。為了分類效果和簡化計(jì)算，選擇分布廣泛、易于區(qū)分的4種地震相作為分類參考，分別為強(qiáng)振幅、平行—亞平行地震相；中—弱振幅、楔形發(fā)散亞平行地震相；中—強(qiáng)振幅、平行—亞平行地震相；強(qiáng)振幅、連續(xù)席狀或近空白反射地震相(圖8)。

研究區(qū)主要目的層蘇紅圖組屬性聚類平面分布圖(圖9)顯示，整個(gè)研究區(qū)基本可劃分為藍(lán)色、亮藍(lán)色、綠色、紅色4個(gè)區(qū)域(顏色數(shù)即對(duì)應(yīng)確定的聚類種數(shù)，根據(jù)可能發(fā)育的沉積環(huán)境，定義藍(lán)色、亮藍(lán)色為水體較深處，紅色為水體較淺處，綠色為過渡帶)。

屬性聚類平面分布圖中紅色1類區(qū)主要分布在艾特格勒凹陷北次凹周緣，對(duì)應(yīng)中—強(qiáng)振幅、平行—亞平行地震相；綠色2類區(qū)主要分布在艾特格勒凹陷北次凹斜坡帶，對(duì)應(yīng)中—強(qiáng)振幅、楔形發(fā)散亞平行地震相；藍(lán)色3類區(qū)主要分布在艾特格勒凹陷北次凹主凹，靠近陡坡帶，對(duì)應(yīng)弱振幅、連續(xù)席狀或空白地震相；亮藍(lán)色4類區(qū)主要分布在艾特格勒凹陷北次凹主凹，靠近緩坡帶，對(duì)應(yīng)中—弱振幅、平行—亞平行地震相(圖9)。

3.4 蘇紅圖組沉積相分析

蘇紅圖坳陷受印支、燕山運(yùn)動(dòng)持續(xù)改造，完成由斷陷向坳陷的轉(zhuǎn)化，白堊系蘇紅圖組沉積期是斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化的主要過渡期。艾特格勒凹陷西北的烏蘭凹陷、巴北凹陷、哈日凹陷及拐子湖凹陷勘探程度相對(duì)較高，前人研究表明，在白堊系巴音戈壁組、蘇紅圖組、銀根組的持續(xù)沉積過程中，完成了由半深湖—深湖相、濱淺湖相到辮狀河三角洲相沉積的轉(zhuǎn)化。

圖8 研究區(qū)典型地震相特征

圖9 艾特格勒凹陷北次凹蘇紅圖組SOMA方法屬性聚類析平面圖

巴音戈壁組巖心可見明顯重力流沉積特征；蘇紅圖組巖心可見遞變層理及指示水動(dòng)力較弱的塊狀構(gòu)造；銀根組巖心可見明顯的指示水動(dòng)力較強(qiáng)的平行層理構(gòu)造(圖10)。結(jié)合鄰區(qū)蘇紅圖組、上覆銀根組、下伏巴音戈壁組沉積相發(fā)育特征，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)蘇紅圖組沉積時(shí)主體沉積環(huán)境以濱淺湖相為主，在凹陷的邊緣可能存在三角洲相沉積。

基于研究區(qū)剖面地震相特征及平面SOMA屬性聚類分析結(jié)果，通過類比鄰區(qū)已證實(shí)的地震相、沉積相特征，建立了艾特格勒凹陷地震相與沉積相的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表1)。

(1)緩坡區(qū)。根據(jù)地震相發(fā)育位置的不同，可劃分為2種主要的地震相：發(fā)育于緩坡帶構(gòu)造高部位的中—強(qiáng)振幅、平行—亞平行反射地震相，解釋為辮狀河三角洲平原，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中紅色1類區(qū)；緩坡帶向湖盆方向延伸的中—強(qiáng)振幅、楔形發(fā)散地震相，解釋為辮狀河三角洲前緣，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中綠色2類區(qū)。

(2)陡坡區(qū)?？蓜澐譃?種地震相：發(fā)育于陡坡帶構(gòu)造高部位的中—強(qiáng)振幅、斷續(xù)反射地震相，解釋為扇三角洲平原，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中紅色1類區(qū)；中—強(qiáng)振幅、楔形發(fā)散反射地震相，橫向表現(xiàn)出向深洼區(qū)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹小獜?qiáng)反射、席狀、平行—亞平行地震相的特征，解釋為扇三角洲前緣，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中綠色2類區(qū)。

(3)凹陷區(qū)?？蓜澐譃?種地震相：中—強(qiáng)振幅、連續(xù)—較連續(xù)、平行—亞平行地震相，解釋為濱淺湖，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中亮藍(lán)色4類區(qū)；弱振幅、近空白反射地震相，解釋為深湖—半深湖，對(duì)應(yīng)屬性聚類分析平面圖中藍(lán)色3類區(qū)。

從沉積相發(fā)育展布特征上來看，蘇紅圖組沉積期為艾特格勒凹陷由斷轉(zhuǎn)拗的主要時(shí)期，控凹斷層的強(qiáng)烈活動(dòng)為沉積物提供了充足的可容空間。

圖10 艾特格勒凹陷鄰區(qū)巖心照片

表1 艾特格勒凹陷地震相—沉積相對(duì)應(yīng)關(guān)系表

研究區(qū)艾特格勒凹陷北次凹的東南部發(fā)育一條控凹大斷裂，在其活動(dòng)過程中沉積物快速混雜堆積，發(fā)育扇三角洲沉積體。在次凹緩坡帶，發(fā)育相對(duì)分選較好的辮狀河三角洲沉積體。從聚類分析的結(jié)果來看，只能從沉積相大類上進(jìn)行區(qū)分，并不能進(jìn)一步區(qū)分扇三角洲與辮狀河三角洲沉積。本文研究主要參考鄰區(qū)沉積相類型評(píng)價(jià)分析。凹陷內(nèi)僅在控凹大斷裂附近水體較深，絕大部分地區(qū)水體較淺。

4 油氣地質(zhì)意義

研究表明，艾特格勒凹陷北次凹沉積相類型多樣，存在性能良好的多套儲(chǔ)集體。一方面，蘇紅圖組內(nèi)部發(fā)育的湖相暗色泥、頁巖作為烴源巖，可自生自儲(chǔ)形成非常規(guī)油氣藏；另一方面，通過斷層輸導(dǎo)運(yùn)移，在三角洲河道砂體、濱淺湖灘壩砂體中保存可形成常規(guī)油氣藏(圖11)。

艾特格勒凹陷鄰區(qū)哈日凹陷、巴北凹陷、烏蘭凹陷等均已發(fā)現(xiàn)中生界油氣資源，多口井顯示白堊系主力生油層蘇紅圖組為油氣勘探的重點(diǎn)層位，儲(chǔ)集體主要為三角洲砂體、濱淺湖砂壩等[20-21]。在統(tǒng)一的地質(zhì)背景約束下，艾特格勒凹陷也應(yīng)具有良好的油氣勘探潛力。

研究區(qū)特殊構(gòu)造演化與沉積特征利于油氣生成。鄰區(qū)A井石炭—二疊系發(fā)育大套厚層火山巖，且鄰區(qū)巴音戈壁組、蘇紅圖組內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有火山活動(dòng)跡象，對(duì)于加速烴源巖生烴過程、提高生烴量和生烴速率都有促進(jìn)作用。

研究區(qū)鄰區(qū)A井下白堊統(tǒng)厚度約1500m，蘇紅圖組為主力生油層位，含灰泥巖厚度超400m，具備良好生烴條件。下伏巴音戈壁組巖性多樣，發(fā)育粉砂巖、砂巖、含礫砂巖，且普遍含有碳酸鹽礦物，厚度超700m，利于形成多種類型儲(chǔ)集體。下白堊統(tǒng)普遍含有碳酸鹽礦物，指示該地區(qū)發(fā)育特殊的斷陷湖盆沉積環(huán)境，推測也許與斷陷期深部熱液活動(dòng)密切相關(guān)，熱液活動(dòng)利于改善儲(chǔ)層物性，展示了油氣勘探潛力。

綜上所述，蘇紅圖坳陷艾特格勒凹陷下白堊統(tǒng)為主要勘探目的層，在有利區(qū)帶優(yōu)選時(shí)，一方面應(yīng)重點(diǎn)分析湖相熱液活動(dòng)及火山活動(dòng)對(duì)烴源巖演化及油氣成藏的影響；另一方面應(yīng)擴(kuò)展思路，同時(shí)關(guān)注常規(guī)儲(chǔ)層及非常規(guī)儲(chǔ)層。

5 結(jié)束語

本文利用自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析(SOMA)技術(shù)開展屬性聚類分析，在油氣勘探新區(qū)鉆井少的背景下，預(yù)測了地震相—沉積相平面展布規(guī)律。

(1)利用SOMA技術(shù)開展屬性聚類分析，應(yīng)充分考慮地震屬性優(yōu)選過程及如何將地震相與沉積相進(jìn)行聯(lián)系，尤其是在缺少探井的新探區(qū)，充分利用地震資料包含的信息，得到較為準(zhǔn)確的地震相—沉積相分析結(jié)果。

(2)依托地震屬性聚類分析成果，建立了艾特格勒凹陷北次凹地震相—沉積相對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)背景，將劃分出的地震相轉(zhuǎn)換為扇三角洲、辮狀河三角洲、湖泊相等3種沉積相。