煤系頁巖有機(jī)質(zhì)特征及有機(jī)碳含量預(yù)測:以寧武南區(qū)塊為例

劉忠,唐書恒,張鵬豹,張遷,張珂,楊雄雄,梅小凡

(1.中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院,任丘 062552; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083)

中國頁巖氣資源量豐富,廣泛發(fā)育海相、陸相和海陸過渡相三種類型的頁巖[1]。四川盆地及其周緣地區(qū)海相頁巖氣已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)[2-3],而陸相和海陸過渡相頁巖的勘探程度較低。海陸過渡相頁巖常與煤層互層,有機(jī)質(zhì)豐度高,累積厚度大,資源量豐富,具有較好的勘探開發(fā)前景[4]。因此,對海陸過渡相頁巖氣勘探的深入研究可有效緩解中國能源短缺問題,也是中國“十四五”規(guī)劃的重要研究和勘探方向。

寧武盆地是山西省重要的含煤盆地之一,其上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組蘊(yùn)藏著豐富的煤炭和煤層氣資源,且勘查開發(fā)程度較高[5]。目前針對盆地內(nèi)海陸過渡相頁巖氣的勘探研究較少,但通過煤炭勘查了解到寧武盆地內(nèi)廣泛發(fā)育石炭-二疊系太原組-山西組暗色泥頁巖,有機(jī)碳含量高,具有較高的勘探開發(fā)潛力。有機(jī)碳含量是頁巖氣勘探過程中目標(biāo)層段優(yōu)選和有利區(qū)評價的關(guān)鍵參數(shù)。海陸過渡相頁巖單層厚度薄,巖性變化快,且有機(jī)碳含量變化范圍大。然而受采樣條件的限制,往往難以只通過有機(jī)碳含量的實(shí)驗(yàn)測定評價區(qū)域煤系頁巖有機(jī)質(zhì)豐度的時空非均質(zhì)性變化。因此,建立適合本研究區(qū)煤系頁巖有效總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)的預(yù)測模型至關(guān)重要。測井?dāng)?shù)據(jù)能夠直接或者間接反應(yīng)地層中有機(jī)碳富集程度的信息,基于測井?dāng)?shù)據(jù)的TOC含量預(yù)測模型主要有多元回歸分析法[6-7],基于電阻率和孔隙度測井的ΔlgR法[8-10]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[11-13],但是這些模型很少用來預(yù)測煤系頁巖有機(jī)質(zhì)豐度。由于煤系地層旋回性強(qiáng),沉積環(huán)境變化快,有機(jī)質(zhì)成因復(fù)雜,因此這些模型是否適用于煤系頁巖TOC的預(yù)測仍有待考究。

此外,煤系頁巖有機(jī)質(zhì)成因復(fù)雜且多樣,由多種顯微組分組成。不同的有機(jī)顯微組分在生烴潛力、孔隙發(fā)育特征、力學(xué)特性等方面均存在明顯差異。由于頁巖組分細(xì)小且分散,僅基于光學(xué)顯微鏡難以準(zhǔn)確評價頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組分特征,因此基于高分辨率掃描電鏡識別有機(jī)顯微組分對于深化評價頁巖儲層至關(guān)重要[14]。首先簡要介紹寧武盆地沉積構(gòu)造演化特征及煤系頁巖展布特征,基于巖石熱解實(shí)驗(yàn)與掃描電鏡識別寧武南區(qū)塊煤系頁巖有機(jī)質(zhì)類型及微觀賦存特征,基于系列測井?dāng)?shù)據(jù)構(gòu)建三類適用于煤系頁巖TOC含量的預(yù)測模型,評價并優(yōu)選適用于煤系頁巖的TOC含量預(yù)測方法,聯(lián)合有機(jī)質(zhì)類型及有機(jī)碳含量評價研究區(qū)煤系頁巖氣的勘探前景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 寧武盆地地質(zhì)概況

寧武盆地形成于晚古生代成煤期后,是位于山西省北部的山間構(gòu)造盆地。盆地呈北東向帶狀分布,長約160 km,寬約20 km,面積4 875.28 km2,其含煤面積約3 706 km2,屬于山西省六大煤田之一[15-17](圖1)。寧武盆地形成始于石炭紀(jì),結(jié)束于侏羅紀(jì)。晉冀魯豫運(yùn)動使山西省南北地殼大幅度抬升,而中部抬升幅度相對較小,造成寧武盆地缺失全部峰峰組地層。受海西運(yùn)動影響,盆地內(nèi)廣泛沉積了從石炭系中統(tǒng)到三疊系的地層,石炭-二疊紀(jì)含煤建造形成于這一時期。石炭紀(jì)早期,東西向的海侵覆蓋了整個寧武盆地,而到晚石炭期,海侵方向轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳毕?影響了盆地南部地層的發(fā)育。受印支運(yùn)動的影響,盆地大部分地區(qū)開始抬升剝蝕。侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)期間,受燕山運(yùn)動影響,盆地由西向東方向的蘆芽山、云中山、恒山及南側(cè)的關(guān)帝山開始抬升,而中部地區(qū)的寧武-靜樂區(qū)塊發(fā)生沉降。寧武-靜樂向斜和位于兩側(cè)與之平行的蘆芽山和云中山隆起帶在NW-SE向的擠壓應(yīng)力場作用下形成[18]。隨著擠壓應(yīng)力增強(qiáng)到一定程度后,在蘆芽山東側(cè)山腳形成了春景洼—西馬坊逆沖斷裂和蘆家莊-婁煩逆沖斷裂。自海西運(yùn)動至燕山運(yùn)動,寧武盆地主要構(gòu)造格架基本定型。后期喜馬拉雅運(yùn)動,主要以拉伸改造形成現(xiàn)代地貌[19-20]。

圖1 寧武盆地構(gòu)造特征及地層特征

1.2 寧武南區(qū)塊煤系頁巖展布特征

寧武南區(qū)塊位于寧武盆地南部,太原組主要發(fā)育灰黑色泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖、灰白色砂巖和煤層,9號煤是主要可采煤層,平均厚度達(dá)到10 m以上。山西組巖性特征與太原組相似,含主要可采煤層4號及1～3層薄煤層。太原組累積頁巖厚度分布在44～87 m,平均為67.7 m(圖2)。區(qū)塊北部頁巖累積厚度明顯高于南部,整體呈由東南向西北增加的趨勢。太原組泥地比(頁巖厚度/地層厚度)介于0.56～0.73,平均達(dá)到0.66,具有與累積頁巖厚度變化趨勢相似的特點(diǎn)。研究區(qū)太原組連續(xù)頁巖(泥地比大于70%且單層夾層厚度小于3 m的頁巖層段)厚度分布在15～57 m,平均為30.3 m,厚度較為可觀。山西組累積頁巖厚度介于34～93 m,平均為74.6 m(圖3)。泥地比為0.32～0.77,分布范圍較大,平均為0.64,平面上分布特征與頁巖厚度變化趨勢基本一致,呈現(xiàn)由東南向西北增加的趨勢。山西組連續(xù)頁巖厚度分布在17～65 m,平均為37.7 m。

圖2 研究區(qū)太原組煤系頁巖展布特征

圖3 研究區(qū)山西組煤系頁巖展布特征

山西組和太原組連續(xù)頁巖厚度與累積頁巖厚度變化趨勢相似,呈現(xiàn)由東南向西北增加的趨勢?？傮w來看,寧武南區(qū)塊山西組和太原組煤系頁巖發(fā)育程度較為相似。

2 煤系頁巖有機(jī)質(zhì)含量和類型

選取研究區(qū)57個巖心樣品進(jìn)行TOC實(shí)驗(yàn)測定,其中30個樣品來自山西組,27個樣品來自太原組。TOC分布范圍為0.14%～8.95%,平均值為2.6%。山西組和太原組頁巖氫指數(shù)(hydrogen index,HI)均小于200 mg/g,Tmax(地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷的最高溫度)與HI相關(guān)關(guān)系表明研究區(qū)山西組、太原組頁巖均以Ⅲ型干酪根為主(圖4)。在鏡下觀察到頁巖顯微組分以惰質(zhì)體與鏡質(zhì)體為主,來自陸源高等植物,符合研究區(qū)頁巖主要是Ⅲ型干酪根的特征。

目前中國存在多套體系對顯微組分進(jìn)行劃分,本文劃分主要依據(jù)代世峰等[21]提出的“ICCP system 1994”中文分類方案,該方案更便于國際交流。筆者在光學(xué)顯微鏡觀測的基礎(chǔ)上,利用掃描電鏡觀測有機(jī)質(zhì)的形態(tài)、顆粒大小、孔隙發(fā)育特征及其與周緣礦物的依存關(guān)系[22],探討了研究區(qū)煤系頁巖有機(jī)質(zhì)的微觀賦存特征。研究區(qū)主要存在鏡質(zhì)體、惰質(zhì)體、類質(zhì)體三類原生有機(jī)質(zhì)及次生有機(jī)質(zhì)固體瀝青。

(1)鏡質(zhì)體。鏡質(zhì)體是高等植物中的木質(zhì)纖維經(jīng)腐殖化作用和凝膠化作用形成的產(chǎn)物[23],是研究區(qū)頁巖最多的顯微組分(達(dá)到60%以上)類型,可進(jìn)一步區(qū)分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、凝膠鏡質(zhì)體和碎屑鏡質(zhì)體。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體呈網(wǎng)格狀,保留較為完整細(xì)胞結(jié)構(gòu),胞腔多被礦物所充填,孔隙不發(fā)育,灰度較強(qiáng)[圖5(a)]。凝膠鏡質(zhì)體呈條帶狀,受擠壓順層分布,多數(shù)孔隙不發(fā)育,偶爾可見少量氣孔[圖5(b)]。碎屑鏡質(zhì)體呈散塊狀分布,是鏡質(zhì)體中相對易生氣的亞組分,可見少量氣孔[圖5(c)]。

圖5 研究區(qū)煤系頁巖有機(jī)質(zhì)特征

(2)惰質(zhì)體。惰質(zhì)體是高等植物中木質(zhì)纖維經(jīng)過絲碳化作用形成的產(chǎn)物[23]。研究區(qū)頁巖常見的惰質(zhì)體有絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、菌類體和碎屑惰質(zhì)體。其中絲質(zhì)體突起高,呈網(wǎng)狀分布,掃描電鏡視域下灰度較鏡質(zhì)體略低,細(xì)胞結(jié)構(gòu)保存完整,細(xì)胞壁薄,胞腔通常被瀝青和礦物充填,孔隙不發(fā)育[圖5(d)];半絲質(zhì)體細(xì)胞壁變形強(qiáng)烈,胞腔由于壓實(shí)變形保留一定殘余孔隙,呈三角狀,同時可見少量圓形氣孔[圖5(e)];菌類體突起較高,通體呈圓形或橢圓形,內(nèi)部發(fā)育不規(guī)則孔隙[圖5(f)];碎屑惰質(zhì)體以細(xì)小、呈分散的碎屑狀態(tài)存在,不發(fā)育孔隙[圖5(g)]。

(3)類脂體。類脂體是植物組織中未發(fā)生腐殖化的一類顯微組分,包括樹脂體、孢粉素和脂肪等富氫的殘余物[24],是研究區(qū)存在較少的顯微組分。研究區(qū)常見有角質(zhì)體和孢子體,其中角質(zhì)體呈彎曲狀或窄條帶狀分布,單側(cè)為鋸齒形,孔隙不發(fā)育[圖5(h)];孢子體保留有孢子原始形狀,呈扁環(huán)狀[圖5(i)],受擠壓呈線條或蠕蟲狀[圖5(j)],孔隙不發(fā)育。

(4)固體瀝青。固體瀝青是原始干酪根生烴后形成的次生有機(jī)質(zhì),無固定形狀,受控于充填孔隙發(fā)育的形態(tài)。掃描電鏡下固體瀝青顏色較淺,突起低,易于辨識[圖5(k)]。固體瀝青中發(fā)育大量海綿狀和蜂窩狀孔隙[圖5(l)],但是在研究區(qū)頁巖中的固體瀝青含量較少,不是煤系頁巖主要的顯微組分類型。

研究區(qū)頁巖顯微組分以鏡質(zhì)體為主,其次為惰質(zhì)體,類脂體與固體瀝青含量較低;有機(jī)質(zhì)孔隙主要發(fā)育于固體瀝青,鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體中零星可見;研究區(qū)大部分有機(jī)顯微組分不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙,這可能是煤系頁巖相比于海相頁巖(顯微組分以固體瀝青為主)有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較差的原因之一。

3 煤系頁巖有機(jī)碳含量預(yù)測模型的構(gòu)建

3.1 ΔlgR模型

ΔlgR法由Exxon和Esso公司提出,Passey等進(jìn)一步完善并推廣應(yīng)用[8],是一種運(yùn)用聲波時差和電阻率測井資料計(jì)算和預(yù)測烴源巖TOC的方法。相比于巖石骨架,干酪根具有低速度和高電阻率的測井響應(yīng)特征,從而使兩條測井曲線在有機(jī)質(zhì)富集程度存在差異的層段呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征。有機(jī)碳含量越高,兩條測井曲線的形態(tài)特征差異越明顯(如圖6中煤、炭質(zhì)頁巖)。

圖6 基于ΔlgR法預(yù)測TOC原理圖[8]

應(yīng)用ΔlgR法計(jì)算TOC時,在對應(yīng)坐標(biāo)體系之下將電阻率與聲波時差曲線進(jìn)行反向疊合,貧有機(jī)質(zhì)層段表現(xiàn)為兩條曲線重合,即為基線(如圖6中非烴源巖層段);在富有機(jī)質(zhì)層段,兩條曲線值均增大,互相分離,產(chǎn)生幅度差,將該幅度差定義為ΔlgR值。應(yīng)用ΔlgR法計(jì)算TOC的公式為

ΔlgR=lg(Rt/Rt,基)+K(Δt-Δt基)

(1)

TOC=ΔlgR×102.297-0.168 8Lom+ΔTOC

(2)

式中:R為淺側(cè)向電阻率,Ω·m;Rt、Δt分別為地層電阻率和聲波時差測井值,Ω·m、μs/m;Rt,基、Δt基分別為基線段的電阻率和聲波時差值,Ω·m、μs/m;K為疊合系數(shù);Lom為巖層的成熟度參數(shù);ΔTOC為TOC背景值。

ΔlgR法的優(yōu)點(diǎn)是有效消除了孔隙度對預(yù)測TOC的影響,因?yàn)槁暡〞r差與電阻率測井曲線對巖層孔隙度的變化很敏感,將二者反向疊加,提高了預(yù)測結(jié)果可靠性。該方法常用于海相頁巖,海相單層厚度大,頁巖發(fā)育穩(wěn)定,TOC含量變化幅度不大。但在應(yīng)用于煤系頁巖時存在以下不足:①ΔlgR法的計(jì)算依賴于基線值,研究區(qū)煤系地層巖性頻繁互層,僅在約20 m厚度內(nèi)就存在多個基線段(圖7),且同一層段內(nèi)基線值也時常不唯一,需人為選取,導(dǎo)致主觀因素較強(qiáng);②K、ΔTOC、Lom的值需要依據(jù)大量樣品分析、測試資料得出,而寧武盆地針對煤系頁巖氣的勘探開發(fā)仍處于初期,資料相對缺乏,參數(shù)難以確定,影響TOC預(yù)測結(jié)果的可靠性;③煤系頁巖有機(jī)質(zhì)成因復(fù)雜,變化范圍廣,只依據(jù)電阻率與聲波時差兩類測井曲線可能存在一定誤差。

圖7 基于ΔlgR法預(yù)測研究區(qū)煤系頁巖TOC實(shí)例圖

前人在ΔlgR法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,并根據(jù)有機(jī)質(zhì)密度顯著低于圍巖的特征,引入了密度曲線,提出了改進(jìn)的ΔlgR法,將式(2)修改[10,24-25]為

TOC=(AlgR+BΔt+C)/DEN

(3)

式(3)中:DEN為密度測井值,g/cm3;A、B、C均為常數(shù)。

改進(jìn)的ΔlgR法省略了人工選取基線、計(jì)算Lom、ΔTOC等步驟,避免主觀因素干擾、簡化計(jì)算過程,減小了誤差;同時,有機(jī)質(zhì)低密度的特征使得TOC與密度測井值呈反比,密度測井曲線的引入大大提高了TOC計(jì)算結(jié)果的精確度。因此,本文中采用改進(jìn)的ΔlgR法計(jì)算研究區(qū)目標(biāo)層段的TOC。

基于57個頁巖樣品實(shí)測TOC數(shù)據(jù),選取淺側(cè)向電阻率、聲波時差、密度三條測井曲線,基于Origin軟件按照式(3)進(jìn)行非線性曲線擬合,計(jì)算系數(shù)A、B、C,建立了基于改進(jìn)ΔlgR法的煤系頁巖TOC預(yù)測模型,表達(dá)式為

TOC=(1.227 68lgR+0.042 05Δt-6.462 41)/DEN

(4)

為避免因自變量的增加而引起決定系數(shù)的增大,故計(jì)算了該模型調(diào)整后R2。公式[26]為

(5)

式(5)中:n為樣本容量;k為自變量個數(shù)。引入了自變量個數(shù),排除了自變量增多造成模型擬合度增加的風(fēng)險。

計(jì)算結(jié)果顯示該模型的調(diào)整后R2=0.68?；诟倪M(jìn)ΔlgR法的TOC預(yù)測模型的殘差均值為0,服從正態(tài)分布[圖8(a)],說明該模型的殘差是隨機(jī)的,表明該預(yù)測模型的結(jié)果可信度高。

圖8 三類預(yù)測模型的殘差分布直方圖

3.2 多元線性回歸

多元線性回歸是一種經(jīng)典的多變量統(tǒng)計(jì)分析方法,是對簡單線性回歸的推廣。對于數(shù)據(jù)集(y,x1,x2,…,xn)的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型[27]為

y=β0+β1x1+β2x2+…+βnxn+ε

(6)

式(6)中:β0為回歸常數(shù);β1、β2、…、βn為偏回歸系數(shù);ε為隨機(jī)誤差,即殘差,獨(dú)立服從正態(tài)分布。殘差是在因變量y的變化過程中不能用自變量解釋的部分。對于回歸模型參數(shù)的計(jì)算一般采用最小二乘法,以獲得最適合的回歸常數(shù)和偏回歸系數(shù)使離差最小[28]。

根據(jù)各類測井曲線的地球物理意義,一般認(rèn)為聲波時差A(yù)C(μs/m)、自然伽馬GR(API)、密度DEN(g/cm3)、自然電位SP(mV)及補(bǔ)償中子CNL(%)能直接或者間接地反映有機(jī)碳的富集程度。有機(jī)質(zhì)為典型的黏塑性基質(zhì),且常富集于泥質(zhì)含量較高的地層中,聲波在富含有機(jī)質(zhì)的頁巖中傳播速度較慢,因此聲波時差較大。相比于有機(jī)碳含量較低的粉砂巖,富有機(jī)質(zhì)頁巖密度值較低,放射性較強(qiáng),因此自然伽馬值較高。自然電位異常幅度值的大小與地層滲透性有關(guān)。一般情況下,地層中黏塑性物質(zhì)含量越高,地層滲透性越差,自然電位異常幅度值越小。因此,富含有機(jī)質(zhì)頁巖的自然電位值較小。補(bǔ)償中子測井主要反映地層的含氫量,因此往往與有機(jī)質(zhì)豐度呈正比。

在建立預(yù)測模型前,應(yīng)判斷研究區(qū)測井曲線的變化幅度與趨勢對有機(jī)質(zhì)豐度變化的敏感程度,選取與TOC相關(guān)性較強(qiáng)的測井曲線能夠提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行測井曲線選取時,對研究區(qū)測井曲線進(jìn)行了深度校正和去除環(huán)境影響的預(yù)處理,以盡可能地消除各種隨機(jī)干擾和非地層因素的影響,使校正后同一口井的測井曲線均有準(zhǔn)確的深度值,并盡可能真實(shí)地反映地層及其孔隙流體的性質(zhì)。根據(jù)分析結(jié)果可知,巖樣實(shí)測TOC與聲波時差、自然伽馬、密度、自然電位及補(bǔ)償中子五條測井曲線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.5左右(圖9),表明這五條測井曲線均對有機(jī)質(zhì)豐度的變化較為敏感。

海相頁巖TOC含量變化范圍小,影響因素相對煤系頁巖較少,前人對海相頁巖進(jìn)行預(yù)測只需少數(shù)自變量就可以得到擬合效果較好的預(yù)測模型。煤系頁巖TOC含量變化幅度更大,受沉積環(huán)境影響嚴(yán)重,需要多個自變量進(jìn)行預(yù)測得到更為準(zhǔn)確的模型。故將與TOC相關(guān)性較好的AC、CNL、DEN、GR、SP參數(shù)均作為自變量,建立多元線性回歸模型進(jìn)行分析。但上述五個測井參數(shù)并非每個自變量都能對因變量產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的影響,且無法確定參數(shù)之間是否存在多重共線性,所以需要對自變量進(jìn)行進(jìn)一步篩選。利用SPSS軟件對樣本直接采用逐步回歸法,對偏回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)從而得到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的自變量。逐步回歸法指每次向模型中加入新的變量都會同時計(jì)算原先模型中的變量是否還具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,并自動對沒有意義的變量進(jìn)行剔除,直至剔除所有不相關(guān)的變量并引入所有相關(guān)變量[29]。因此逐步回歸法可以解決自變量之間存在多重共線性的問題并挑選出最相關(guān)的自變量。擬合結(jié)果如表1所示,共建立了5個多元線性回歸模型。模型1說明AC單獨(dú)對TOC具有63.1% 的解釋度,在5個變量中與TOC關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)。模型5的調(diào)整后R2=0.846,具有最高的擬合度,說明5個自變量對因變量TOC均有良好的解釋度,且變量之間不存在共線性關(guān)系。模型5的標(biāo)準(zhǔn)估算誤差為0.585,其值較小,說明R2的估算結(jié)果可靠程度高。模型5的殘差均值為0,服從正態(tài)分布[圖8(b)],說明該模型的殘差是隨機(jī)的,模型5的結(jié)果可信度高。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.3.1 原理介紹

反向傳播(back propogation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種利用誤差反向傳播的多層前反饋網(wǎng)絡(luò),它能夠在給定的樣本中尋找規(guī)律并建立映射模型,用于解決在輸入數(shù)據(jù)量大且難以用顯性函數(shù)表達(dá)的非線性問題[30]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層,各層層內(nèi)神經(jīng)元相互獨(dú)立,層間神經(jīng)元相互連接。學(xué)習(xí)過程分為正向計(jì)算和反向傳播兩部分,實(shí)現(xiàn)從輸入數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)的非線性函數(shù)的映射。隱含層逐層對上一層數(shù)據(jù)賦予權(quán)重后正向傳播到輸出層,當(dāng)輸出結(jié)果誤差未滿足期望值時,誤差信號逐層反向傳播到輸入層,經(jīng)修改權(quán)重后再次傳播到輸出層,循環(huán)往復(fù),直至誤差在允許范圍內(nèi)時停止訓(xùn)練[6]。該方法無需確定單個測井曲線與TOC之間的關(guān)系,通過訓(xùn)練獲得測井參數(shù)和TOC之間的映射關(guān)系,使用均方誤差和回歸分析評估其性能。

3.3.2 模型構(gòu)建

以AC(聲波時差)、GR(自然伽馬)、DEN(密度)、SP(自然電位)、CNL(補(bǔ)償中子)5種測井曲線為輸入層變量,以總有機(jī)碳含量TOC為輸出變量,計(jì)算隱含層神經(jīng)元數(shù)量[10]。本次以57組數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)集,隱含層數(shù)量設(shè)置為1層,隱含層神經(jīng)元數(shù)選擇10個,輸出層數(shù)量1個,使用LM(Levenberg-Marquardt)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí),建立了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為 5×10×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(圖10),即

圖10 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的模型結(jié)構(gòu)圖

(7)

式(7)中:n為輸入層神經(jīng)元的個數(shù);M為隱含層神經(jīng)元數(shù)量;i為取值0～n的正整數(shù);k為樣本數(shù)。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中,需要將輸入的數(shù)據(jù)集按一定比例劃分為訓(xùn)練集、校正集和測試集。傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建時訓(xùn)練樣本、校正樣本和測試樣本按照比例隨機(jī)產(chǎn)生。研究區(qū)煤系頁巖TOC分布范圍大,若隨機(jī)生成可能會出現(xiàn)訓(xùn)練樣本TOC集中的情況,造成預(yù)測結(jié)果的不準(zhǔn)確。本次研究進(jìn)行了多次隨機(jī)模型構(gòu)建,根據(jù)樣品地質(zhì)特征,選擇TOC分布在0.14%～8.95%、有機(jī)質(zhì)類型涵蓋Ⅱ2型和Ⅲ型的訓(xùn)練樣本,確保構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本的全面性。最終將57個數(shù)據(jù)集的70%(39個點(diǎn))作為訓(xùn)練樣本,15%(9個點(diǎn))作為校正樣本,15%(9個點(diǎn))作為測試樣本。

所構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)、預(yù)測結(jié)果表明,訓(xùn)練集、校正集、測試集和全部57個數(shù)據(jù)集的預(yù)測TOC和實(shí)測TOC之間的線性相關(guān)系數(shù)均在0.9以上(圖11),并且模型殘差呈正態(tài)分布,基本分布在-0.6～0.6[圖8(c)],表明預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖11 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的預(yù)測TOC與實(shí)測TOC含量的相關(guān)關(guān)系

4 預(yù)測模型的對比與應(yīng)用

為了檢驗(yàn)預(yù)測模型的適用性和準(zhǔn)確性,選取研究區(qū)某口井20個樣品的測井?dāng)?shù)據(jù)值,利用構(gòu)建的三類模型進(jìn)行預(yù)測,并與實(shí)測TOC進(jìn)行對比。結(jié)果顯示,ΔlgR模型、多元線性回歸模型和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.71、0.82、0.92(圖12),均顯示了較好的預(yù)測結(jié)果,但同時也注意到模型的預(yù)測效果存在一定差異。

圖12 構(gòu)建三類模型的實(shí)測TOC與預(yù)測TOC含量的相關(guān)關(guān)系

基于改進(jìn)ΔlgR法建立的研究區(qū)TOC預(yù)測模型,預(yù)測TOC與實(shí)測TOC間存在一定的誤差,主要來自兩方面:一是改進(jìn)ΔlgR法只應(yīng)用了DEN、AC、RS測井曲線,而未應(yīng)用與TOC相關(guān)的GR、SP、CNL測井曲線;二是研究區(qū)煤系地層中巖相變化較快,包括炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖等多種巖性,影響了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性[31]。多元線性回歸模型的預(yù)測效果好于ΔlgR模型,因?yàn)樵撃Ｐ透映浞值貙⑽宸N測井曲線考慮在內(nèi)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測效果好于多元線性回歸模型和ΔlgR法,在研究區(qū)頁巖TOC預(yù)測方面具有更大的優(yōu)越性。因?yàn)檠芯繀^(qū)砂泥巖互層導(dǎo)致TOC值變化較大,單個測井曲線與TOC的相關(guān)性低,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)越性就是建立非線性函數(shù)的預(yù)測模型。

采用構(gòu)建好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對寧武南區(qū)塊7口井太原組及山西組頁巖TOC進(jìn)行預(yù)測,明確了研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度展布特征,劃分了太原組、山西組頁巖TOC有利區(qū)(圖13)。太原組TOC分布在2.3%～4.1%,呈現(xiàn)由西南向東北增大的趨勢,其中北部Y4井和東部Y7井具有較大的有機(jī)碳含量(平均達(dá)到4.05%)。山西組頁巖TOC分布在2.0%～4.4%,由西向東逐漸增大,其中Y1井最低(平均為1.88%),Y7井最高(平均為4.49%)。研究區(qū)東北部太原組和山西組煤系頁巖具有高有機(jī)質(zhì)豐度、高泥地比和累計(jì)頁巖和連續(xù)頁巖厚度大的特征,表明寧武南區(qū)塊東北部煤系頁巖具有較好的生氣條件。從有機(jī)質(zhì)類型及其微觀賦存特征考慮,研究區(qū)有機(jī)質(zhì)來源主要為高等植物,顯微組分以鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體為主,孔隙發(fā)育程度較差,表明煤系頁巖有機(jī)質(zhì)的生烴潛力和儲集能力較差。有機(jī)質(zhì)類型及其微觀賦存特征的差異可能是煤系頁巖相比于海相頁巖難于實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的因素之一。在煤系頁巖氣的勘探開發(fā)過程中,不僅要明確有機(jī)質(zhì)豐度的時空差異性變化,同時應(yīng)注重有機(jī)質(zhì)類型及其微觀特征的研究。

圖13 研究區(qū)太原組-山西組煤系頁巖有機(jī)質(zhì)豐度展布特征

5 結(jié)論

(1)寧武南區(qū)塊煤系頁巖累積厚度大,分布在34～93 m,整體呈現(xiàn)由東南向西北增加的趨勢。煤系頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主,顯微組分以惰質(zhì)體與鏡質(zhì)體為主,有機(jī)質(zhì)孔隙主要發(fā)育于固體瀝青,鏡質(zhì)體與惰質(zhì)體中零星可見。

(2)利用寧武南區(qū)塊太原組、山西組煤系頁巖TOC實(shí)測數(shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)(電阻率、聲波時差、自然電位、密度、補(bǔ)償中子和自然伽馬),構(gòu)建了基于改進(jìn)ΔlgR法、多元線性回歸法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的三類TOC預(yù)測模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測效果明顯優(yōu)于多元線性回歸模型和ΔlgR法,這是因?yàn)槊合档貙有匦詮?qiáng),巖性變化較大,影響有機(jī)質(zhì)豐度的因素多樣且復(fù)雜,導(dǎo)致不同測井曲線與TOC之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系,而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法更適用于建立參數(shù)之間的非線性復(fù)雜關(guān)系。

(3)利用構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對寧武南區(qū)塊石炭-二疊系煤系頁巖TOC進(jìn)行預(yù)測。研究區(qū)煤系頁巖TOC含量具有由西南向東北逐漸增大的趨勢,具有較好的勘探開發(fā)前景。在煤系頁巖氣的勘探開發(fā)過程中,不僅要明確有機(jī)質(zhì)豐度的時空差異性變化,同時應(yīng)注重有機(jī)質(zhì)類型及其微觀賦存特征的研究。