劉宗利,王祝文,劉菁華,馮玉輝,曲 東

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130021;2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春130061;3.長城鉆探工程有限公司測井公司,遼寧盤錦124011)

遼河盆地東部凹陷中基性火成巖測井曲線特征研究

劉宗利1,王祝文1,劉菁華1,馮玉輝2,曲 東3

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130021;2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春130061;3.長城鉆探工程有限公司測井公司,遼寧盤錦124011)

受郯廬斷裂的影響,新生代以來,遼河盆地東部凹陷間斷發(fā)生了6次構(gòu)造運(yùn)動,且均伴隨有強(qiáng)度不等的火山噴發(fā)活動,火成巖廣泛發(fā)育。以6口不同的井為例,揭示了東部凹陷內(nèi)中基性火成巖、致密玄武巖、氣孔玄武巖、玄武質(zhì)火山碎屑巖、粗面巖、粗面質(zhì)火山碎屑巖和輝綠巖的測井曲線組合特征。選取典型的巖性數(shù)據(jù)段總結(jié)出了該地區(qū)火成巖性測井響應(yīng)特征,并制作了一套適合該地區(qū)的巖性識別圖版。其中，自然伽馬和深側(cè)向電阻率交會圖能很好地識別輝綠巖,中子和密度交會圖可以很好地區(qū)分玄武巖類;利用最小二乘支持向量機(jī)建立了火成巖巖性識別模型,識別結(jié)果與巖心、巖屑薄片定名對比,符合率較高。交會圖版和最小二乘支持向量機(jī)結(jié)合運(yùn)用,很好地解決了研究區(qū)巖性識別的問題,為進(jìn)一步開展油氣藏的解釋奠定了基礎(chǔ)。

遼河盆地東部凹陷;中基性火成巖;測井曲線;交會圖;巖性識別;最小二乘支持向量機(jī)

1 研究區(qū)概況

遼河盆地大地構(gòu)造位于華北板塊東北部[1],構(gòu)造上可分為沈北凹陷、大民屯凹陷、西部凸起、西部凹陷、中央凸起、東部凹陷和東部凸起7個(gè)單元。東部凹陷的東西兩側(cè)被東部凸起、中央凸起所夾持,北至大民屯凹陷[2],是一軸向約為北東43°展布的狹長含油氣凹陷(圖1)。

古近紀(jì)(65Ma)以來,太平洋板塊西緣俯沖方向由北北西轉(zhuǎn)變?yōu)楸蔽魑?。同時(shí),印度板塊對中國大陸中部和東部產(chǎn)生北向推擠力。在這種情況下,郯廬斷裂從左旋活動轉(zhuǎn)向右旋活動[3-5]。在其影響下，新生代以來間斷發(fā)生了6次構(gòu)造運(yùn)動且均伴隨有強(qiáng)度不等的火山噴發(fā)活動[6-7],火成巖廣泛發(fā)育,其中以沙河街組時(shí)期最具代表性。沙河街組縱向上發(fā)育大套玄武巖和粗面巖[8-9]。在東營組時(shí)期,巖漿侵入沙三段和沙一段地層,形成輝綠巖。溢流相發(fā)育致密玄武巖、氣孔玄武巖、粗面巖;火山通道相、爆發(fā)相多發(fā)育火山碎屑巖;侵入相發(fā)育輝綠巖[10-13]。

近年來,在對松遼、準(zhǔn)噶爾、遼河盆地的勘探開發(fā)中,發(fā)現(xiàn)中基性火成巖具有良好的油氣藏特征[14-15],因此火成巖巖性的分類識別具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。測井曲線特征的差異能很好地反應(yīng)巖性特征。以常規(guī)曲線——自然伽馬(γ)、密度(ρ)、聲波時(shí)差(ΔtAC)、補(bǔ)償中子(φCNL)、深側(cè)向電阻率(RLLD)為基礎(chǔ),分析中基性火成巖巖性與測井曲線特征之間的關(guān)系,以期能更好地識別火成巖巖性,并為進(jìn)一步的火成巖儲層評價(jià)提供幫助。

圖1 遼河盆地構(gòu)造分布

2 火成巖礦物組分及測井曲線特征

火成巖識別方法比較多,通常利用自然伽馬(γ)、密度(ρ)、聲波時(shí)差(ΔtAC)、補(bǔ)償中子(φCNL)、深側(cè)向電阻率(RLLD)等常規(guī)測井參數(shù)來識別火成巖巖性。圖2給出了火成巖的典型巖心及薄片顯微特征;圖3 到圖8給出了火成巖的測井曲線特征。

2.1 玄武巖

2.1.1 致密玄武巖

以X1井2876.5～2883.0m為例進(jìn)行說明。致密玄武巖具有斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。斑晶約占70%,主要由斜長石(75%)和輝石(25%)組成,斜長石較新鮮,輝石多已皂石化(圖2a),基質(zhì)為間粒-間隱結(jié)構(gòu),主要由斜長石、輝石以及玻璃質(zhì)組成,基質(zhì)蝕變中等。測井曲線γ在47～62API,ρ在2.45～2.64g/cm3,ΔtAC在61～72μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在19%～29%,RLLD在8～16Ω·m。表現(xiàn)為低自然伽馬、低電阻率、低聲波時(shí)差的特征(圖3)。

2.1.2 氣孔玄武巖

以X2井3682.5～3689.0m為例對氣孔玄武巖進(jìn)行描述。其具有斑狀結(jié)構(gòu),氣孔-杏仁構(gòu)造,斑晶約占70%,主要由斜長石(80%)和輝石(20%)組成,部分斜長石可見聚片雙晶,輝石斑晶未見蝕變,基質(zhì)為間粒-間隱結(jié)構(gòu),主要由斜長石、輝石以及玻璃質(zhì)組成,基質(zhì)中見斜長石微晶、輝石小顆粒及玻璃質(zhì),蝕變較強(qiáng)?；|(zhì)中暗色礦物均已蝕變,多蝕變?yōu)樵硎?、綠泥石,氣孔內(nèi)充填方解石(圖2b),見氣孔中為方解石、硅質(zhì)兩期充填。此外溶蝕孔也較發(fā)育。

測井曲線γ在36～49API,ρ在2.31～2.54g/cm3,ΔtAC在59～87μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在20%～36%,RLLD在4～13Ω·m,深、淺側(cè)向電阻率范圍一致。與致密玄武巖相比,γ和ρ偏低,φCNL值偏大,深、淺側(cè)向電阻率偏小(圖4)。

2.2 玄武質(zhì)火山碎屑巖

X3井2467～2475m為玄武質(zhì)火山碎屑巖,凝灰結(jié)構(gòu),顆粒直徑均小于2cm,主要由漿屑、玻屑、晶屑、玄武巖巖屑(圖2c)組成,分選中等,磨圓較差、玻屑多呈弧面多角狀,晶屑、巖屑多為次棱角狀,火山灰膠結(jié)。巖石整體裂縫較為發(fā)育,多呈不規(guī)則狀,方解石充填。

測井曲線γ在24～39API,ρ在2.06～2.40g/cm3,ΔtAC在77～87μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在31%～35%,RLLD在3～4Ω·m,深、淺側(cè)向電阻率有分離現(xiàn)象。與玄武巖相比,自然伽馬值和電阻率明顯偏低,密度也偏小,聲波時(shí)差和補(bǔ)償中子值較大(圖5)。

2.3 粗面巖

以X4井2840～2926m對粗面巖巖性和測井曲線特征進(jìn)行說明。巖心整體呈灰綠色,斑狀結(jié)構(gòu),斑晶主要為長石(圖2d),含量約為30%,斑晶有少數(shù)蝕變,有環(huán)帶結(jié)構(gòu),多呈長柱狀,表面裂紋發(fā)育,致密塊狀?；|(zhì)由堿性長石和少量斜長石組成,為間粒間隱結(jié)構(gòu)。

測井曲線γ在91～180API,ρ在2.11～2.59g/cm3,ΔtAC在52～93μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在4%～29%,RLLD在5～606Ω·m(圖6)。相比玄武巖自然伽馬和電阻率明顯呈現(xiàn)高值,粗面巖電阻率幅值變化大。可以用γ和雙側(cè)向電阻率曲線特征識別粗面巖和玄武巖巖性。

2.4 粗面質(zhì)火山碎屑巖

X5井3340.5～3398.5m為粗面質(zhì)火山碎屑巖,火山角礫結(jié)構(gòu),角礫直徑多大于2cm,主要由粗面質(zhì)巖屑(圖2e)、晶屑組成,分選、磨圓均較差,角礫多為棱角-次棱角狀,火山灰膠結(jié)。

測井曲線γ在69～115API,ρ在2.37～2.64g/cm3,ΔtAC在65～76μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在12%～23%,RLLD在16～61Ω·m(圖7)。相比粗面巖自然伽馬值偏低,密度值稍大,雙側(cè)向電阻率呈現(xiàn)低值。

2.5 輝綠巖

以X6井3638～3658m對輝綠巖進(jìn)行巖性和測井曲線特征說明。輝綠結(jié)構(gòu),主要礦物為斜長石和輝石,結(jié)晶較粗,輝石多已蝕變綠泥石化,見少量黑色不透明磁鐵礦。發(fā)育較多淋濾孔,暗色礦物輝石蝕變?yōu)樵硎?圖2f)、綠泥石等粘土礦物后,經(jīng)過后期作用,粘土礦物被淋濾形成空隙,邊部仍可見綠泥石等,少量孔隙為斜長石溶蝕孔隙。

測井曲線γ在46～74API,ρ在2.55～2.71g/cm3,ΔtAC在58～75μs/ft(1ft=30.48cm),φCNL在16%～25%,RLLD在93～317Ω·m(圖8)。相對于玄武巖,電阻率值偏大,其余特征不太明顯。相對于粗面巖,γ明顯偏低,電阻率值偏小。

綜合以上描述可知,致密玄武巖與氣孔玄武巖和玄武質(zhì)火山碎屑巖相比,呈現(xiàn)高密度、低聲波時(shí)差、高電阻率的特征;粗面質(zhì)火山碎屑巖與粗面巖相比,呈現(xiàn)低電阻率特征。玄武巖與粗面巖相比,呈現(xiàn)低自然伽馬、低電阻率特征。輝綠巖呈低自然伽馬、高密度、高電阻率特征?；鸪蓭r巖性不同,測井曲線之間的組合特征也不同。

圖3 致密玄武巖的測井曲線特征

圖4 氣孔玄武巖的測井曲線特征

圖5 玄武質(zhì)火山碎屑巖的測井曲線特征

圖6 粗面巖的測井曲線特征

圖7 粗面質(zhì)火山碎屑巖的測井曲線特征

圖8 輝綠巖的測井曲線特征

3 火成巖巖性識別劃分

遼河盆地東部凹陷火成巖儲層巖性以玄武巖、粗面巖和輝綠巖為主,針對研究區(qū)實(shí)際需求和測井識別的可行性,將火成巖分為致密玄武巖、非致密玄武巖、粗面巖、非致密粗面巖、輝綠巖5類進(jìn)行識別。其中非致密玄武巖為氣孔玄武巖以及包含玄武質(zhì)火山碎屑巖的玄武質(zhì)巖性的統(tǒng)稱,非致密粗面巖指的是包含粗面質(zhì)火山碎屑巖的粗面質(zhì)巖性的統(tǒng)稱。根據(jù)火成巖的巖性特征,總結(jié)出了該地區(qū)火成巖測井響應(yīng)特征(表1),不同火成巖巖性測井響應(yīng)特征不同。

3.1 交會圖版識別巖性

選取典型火成巖段,提取數(shù)據(jù)形成一套適合本區(qū)的火成巖識別圖版(圖9)。由γ-RLLD圖版可以準(zhǔn)確識別輝綠巖、玄武巖類和粗面巖類,φCNL-ρ圖版可以區(qū)分致密玄武巖和非致密玄武巖,γ-RLLD和ΔtAC-γ圖版組合可以較為準(zhǔn)確地識別和劃分粗面巖和粗面質(zhì)火山碎屑巖。

表1 遼河盆地東部凹陷火成巖測井響應(yīng)特征

3.2 最小二乘支持向量機(jī)

3.2.1 最小二乘支持向量機(jī)原理及流程

支持向量機(jī)(SVM)[16-20]在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢,并能夠推廣應(yīng)用到巖性分類識別等其它方面。

在特征空間Rn中,給定有N個(gè)樣本{(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)}的訓(xùn)練集合,其中第i個(gè)輸入數(shù)據(jù)xi∈Rn,第i個(gè)輸出數(shù)據(jù)yi∈{-1,+1}是類別。支持向量機(jī)模型的目標(biāo)是構(gòu)造一個(gè)如下形式的函數(shù):

(1)

式中:ω為超平面的法向量;b是超平面的截距;φ(x)為可將數(shù)據(jù)映射成線性可分的函數(shù)。

圖9 巖性識別交會圖版

最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)是支持向量機(jī)的一種擴(kuò)展形式,其損失函數(shù)采用誤差的二范數(shù),并用等式約束代替不等式約束,從而將二次規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為求解線性方程組的問題。

對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為:

(2)

約束條件為:

(3)

其中,C≥0,為可調(diào)參數(shù),控制對誤差ε的懲罰程度,稱作懲罰因子。

用拉格朗日(Lagrange)方法解決這個(gè)優(yōu)化問題:

(4)

其中,α=[α1,α2,…,αN]為Lagrange算子,根據(jù)優(yōu)化條件得到:

(5)

其中,i=1,2,…,N。根據(jù)Mercer條件定義核函數(shù):

(6)

本文選擇高斯徑向基核函數(shù)

(7)

作為核函數(shù)。懲罰因子C和核函數(shù)寬度參數(shù)σ利用耦合模擬退火算法以及下山單純形法(Nelder-Mead)進(jìn)行確定。最終得到?jīng)Q策函數(shù):

(8)

具體流程如圖10所示。

圖10 最小二乘支持向量機(jī)流程

3.2.2 最小二乘支持向量機(jī)巖性識別

將巖心/巖屑薄片深度進(jìn)行歸位,與測井深度數(shù)據(jù)對應(yīng),并且薄片取自巖性較穩(wěn)定的井段;把薄片鑒定的結(jié)果作為巖性定名的標(biāo)準(zhǔn)。7口測試井最小二乘支持向量機(jī)的巖性識別與巖性樣本對比結(jié)果(表2)表明,不同井符合率有所差別,最高88.9%,最低76.1%,平均為79.5%,整體上符合較好。

表2 LS-SVM巖性測井識別符合率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語

1) 結(jié)合巖心和薄片特征,詳細(xì)描述和總結(jié)了研究區(qū)巖性的測井曲線特征。玄武巖低伽馬、低電阻率,致密玄武巖中高密度、中高中子,低聲波時(shí)差,氣孔玄武巖和玄武質(zhì)火山碎屑巖中低密度、中高中子和聲波時(shí)差;粗面巖高伽馬、高電阻率、中低密度和聲波時(shí)差、中子變化較大,粗面質(zhì)火山碎屑巖中伽馬、中低電阻率和密度、中高聲波時(shí)差和中子;輝綠巖中低伽馬和聲波時(shí)差、中高電阻率、中高密度和中子。

2) 利用最小二乘支持向量機(jī)法建立火成巖巖性識別模型,對遼河盆地東部凹陷火成巖巖性進(jìn)行識別。識別出玄武巖、非致密玄武巖、粗面巖、非致密粗面巖、輝綠巖5種火成巖巖性,識別率較高;同時(shí)選取具有典型特征的穩(wěn)定數(shù)據(jù)段的層數(shù)據(jù),形成了一套適合本區(qū)的巖性圖版;最小二乘支持向量機(jī)程序識別與交會圖版結(jié)合應(yīng)用,經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證,能夠較好地解決本區(qū)巖性識別問題。

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(編輯：陳 杰)

The logging characteristics of the intermediate and basic igneous rock from the Eastern Depression of Liaohe Basin

Liu Zongli1,Wang Zhuwen1,Liu Jinghua1,Feng Yuhui2,Qu Dong3

(1.CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China；2.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China; 3.WellLoggingCompany,GWDC,Panjin124011,China)

Since the Cenozoic,because of the influence of the Tanlu Fault,six tectonic movements have occurred in the Eastern Depression of Liaohe Basin,which were accompanied by volcanic activity with different intensity; so igneous rock is widely developed.Based on six wells,the characteristics of log combination of the intermediate and basic igneous rock are analyzed,including tight basalt,stomatal basalt,basaltic volcanic clastic rock,trachyte,trachytic volcanic clastic rock and diabase.Selecting typical lithology data,the characteristics of igneous lithology logging response in this area are summarized; and a set of suitable lithology identification chart is established for the area.The crossplot of natural gamma versus deep lateral resistivity can well identify diabase,and the crossplot of neutron and density can well distinguish basalts.Using least squares support vector machine (LS-SVM),the igneous rock lithology identification model is constructed.Compared with core analysis and cutting description,the accuracy rate of the identification result reaches up to 79.5%.The combination of crossplot and LS-SVM well solves the problem of lithology identification and provides assistance for further interpretation of oil and gas reservoirs.

Eastern Depression of Liaohe Basin,intermediate and basic igneous rock,well logging curve,crossplot,lithology identification,least squares support vector machine (LS-SVM)

2015-04-01;改回日期：2015-06-26。

劉宗利(1990—),男,博士在讀,主要從事地球物理測井新方法、新技術(shù)研究工作。

王祝文(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事地球物理測井、核地球物理、測井新方法新技術(shù)等方面的解釋理論和方法的教學(xué)與科研工作。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB822002)和中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(2012E3001)共同資助。

P631

A

1000-1441(2015)06-0787-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.06.018