辜潤(rùn)秋 賴萬昌 林宏健 閻榮輝 王剛 張麗嬌 祝美英 黃子艦 黃進(jìn)初

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基于SPSS的g能譜法鑒別鉆井巖屑沉積巖類別

辜潤(rùn)秋1賴萬昌1林宏健1閻榮輝2王剛2張麗嬌1祝美英1黃子艦3黃進(jìn)初1

1（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）;2（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探部 西安 710018）;3（盤錦中錄油氣技術(shù)服務(wù)有限公司 盤錦 124010）

g能譜法鑒別鉆井巖屑沉積巖類別，有助于解決沉積巖小類劃分困難以及化學(xué)分析時(shí)間長(zhǎng)等問題。介紹了通過低本底g能譜法測(cè)定鉆井巖屑中的天然放射性核素K、U、Th含量來劃分泥巖中的深灰色含灰泥巖、深灰色灰質(zhì)泥巖以及灰色灰質(zhì)泥巖的方法。分別選用1.37–1.56MeV、1.66–1.86 MeV以及2.41–2.81 MeV能區(qū)的計(jì)數(shù)率來代表K、U、Th的放射性強(qiáng)度。利用SPSS (Statistical Product and Service Solutions)軟件對(duì)這三種泥巖的K、U、Th計(jì)數(shù)率以及總計(jì)數(shù)率對(duì)巖石巖性進(jìn)行費(fèi)歇爾判別分析，其巖性識(shí)別正確率分別為100%、76.47%和60%。由實(shí)驗(yàn)可得，根據(jù)K、U、Th及總的計(jì)數(shù)率基本可識(shí)別深灰色含灰泥巖，而對(duì)于深灰色灰質(zhì)泥巖以及灰色灰質(zhì)泥巖的識(shí)別效果較好，但不能完全區(qū)分。

g能譜法，巖芯分析，判別分析

g能譜測(cè)量方法是快速、可靠、非破壞性地檢測(cè)樣品中是否具有放射性的重要手段，是一種較為直觀的儀器分析方法。在石油勘查領(lǐng)域中，g能譜法應(yīng)用于巖石分類工作已有不少研究成果。郭余峰等[1–2]根據(jù)三肇地區(qū)的探井取心巖樣的自然g能譜數(shù)據(jù)和室內(nèi)分析，利用釷鈾交繪圖把砂巖、粉砂巖和泥巖等劃分得很清楚。同時(shí)，利用釷、鈾、鉀的含量值確定了巖石的類型、生油環(huán)境以及泥質(zhì)含量等巖性參數(shù)，建立了巖石自然g能譜的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。王連升[3–4]曾對(duì)巖樣自然伽馬能譜測(cè)量與巖性的關(guān)系進(jìn)行研究，利用U-Th和Th-K交繪圖以及回歸分析區(qū)分主要粘土類型。粘土質(zhì)巖石是重要的生油巖 石[5]，灰色及黑色的泥頁巖中一般都含有豐富的有機(jī)質(zhì)和微體化石，是良好的生油巖系，而泥質(zhì)巖是粘土質(zhì)巖石中的一種，因此對(duì)鉆孔巖屑沉積巖中的泥巖進(jìn)行細(xì)分對(duì)尋找油氣藏具有一定的作用[6]。

本文主要通過室內(nèi)g能譜測(cè)量嘗試對(duì)某地鉆孔巖屑沉積巖中的泥巖進(jìn)行細(xì)分，以解決鉆探過程中沉積巖中泥巖類巖屑較難劃分的難題。

1 基本原理及實(shí)驗(yàn)條件

1.1 基本原理

g能譜測(cè)量利用的是地質(zhì)體中天然放射性核素（主要是鈾、釷、鉀）衰變釋放的不同能量的g射線。地層中放射性元素鈾、釷、鉀含量的多少，是由含放射性元素的母巖經(jīng)過長(zhǎng)期的地質(zhì)作用，不斷分離和重新分布形成的，它與巖石的種類、沉積環(huán)境、搬遷過程、變質(zhì)情況、風(fēng)化程度等因素有關(guān)。由于不同環(huán)境條件及不同物質(zhì)來源所形成的沉積巖其鈾、釷、鉀的含量不同，因而放射性強(qiáng)度不同，能譜儀所探測(cè)到的計(jì)數(shù)率也不同。因而利用放射性差異可以進(jìn)一步對(duì)沉積巖進(jìn)行巖性劃分，本文以樣品中K、U、Th的g特征峰計(jì)數(shù)率來判別巖性的放射性差異。

費(fèi)歇爾判別[7]是按照各類（總體）中的方差盡可能小、不同類中的均值之間差距盡可能大的原則，即類間距離最大而類內(nèi)離散性最小的原則求判別函數(shù)，并利用判別函數(shù)進(jìn)行最小距離分類。兩個(gè)總體（總體1和總體2）的基本函數(shù)表達(dá)式為：

判別規(guī)則：

費(fèi)歇爾判別法就是要尋找一個(gè)由個(gè)變量組成的線性函數(shù)，使得每一個(gè)總體內(nèi)部樣本點(diǎn)的函數(shù)值盡量接近，總體之間的函數(shù)值相差盡量大。與兩個(gè)總體情形相同，需要求出，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極大。為總體間的離差矩陣，反映了總體之間的差異：

(3)

其中：

其中：

本實(shí)驗(yàn)主要是利用三種泥巖的K、U、Th計(jì)數(shù)率(K、U、Th)以及總的計(jì)數(shù)率A四個(gè)變量建立貝葉斯判別函數(shù)，對(duì)三種泥巖進(jìn)行判別分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

采用的低本底多道g能譜儀探頭為?75mm× 75 mm的NaI(TI)晶體，能量分辨率(半高寬，F(xiàn)ull Width at Half Maximum, FWHM)優(yōu)于8.0%（對(duì)137Cs的662keVg射線）。測(cè)量時(shí)將整個(gè)探頭以及被測(cè)樣品均置于鉛室中加以屏蔽，以減少環(huán)境本底對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。由于巖芯樣品水分含量變化較大，測(cè)量之前，將其烘干。每個(gè)樣品混合均勻，稱取400g壓實(shí)并密封在高10cm、直徑8cm的圓柱形聚乙烯塑料盒內(nèi)[8]。樣品封存30 d左右，待射氣達(dá)到放射性平衡后再進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)間均設(shè)為3000s。

2 結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)樣品來自陜西某石油鉆井部分井段的鉆孔巖屑，該井段的大部分巖芯屬于泥巖。選取該井段中具有代表性的采樣點(diǎn)構(gòu)造樣本文件。實(shí)驗(yàn)選取46個(gè)樣本作為原始訓(xùn)練樣本建立判別函數(shù)模型，其中深灰色含灰泥巖3個(gè)，深灰色灰質(zhì)泥巖30個(gè)，灰色灰質(zhì)泥巖13個(gè)，并利用該模型來對(duì)余下29個(gè)樣本進(jìn)行判別驗(yàn)證，所得結(jié)果再與已知情況作比較，以檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)石油分公司勘探部所提供的巖屑描述記錄所述本實(shí)驗(yàn)中的三種泥巖的成分差別在于深灰色含灰泥巖含少量灰質(zhì)，深灰色灰質(zhì)泥巖以及灰色灰質(zhì)泥巖灰質(zhì)含量高。

使用SPSS (Statistical Product and Service Solutions)軟件對(duì)三種泥巖的K、U、Th計(jì)數(shù)率(K、U、Th)以及總的計(jì)數(shù)率A進(jìn)行費(fèi)歇爾判別分析的結(jié)果如下。

表1為典則判別式函數(shù)系數(shù)，兩個(gè)函數(shù)是有Fisher判別法得到的向兩個(gè)方向的投影。據(jù)此建立兩個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化判別函數(shù)。

表1 典則判別式函數(shù)系數(shù)

函數(shù)1：

函數(shù)2：

根據(jù)這兩個(gè)函數(shù)，從任何一個(gè)樣本（每個(gè)樣本都有4個(gè)變量）都可以算出兩個(gè)判別式得分。把這兩個(gè)分?jǐn)?shù)當(dāng)成樣本的坐標(biāo)，這樣數(shù)據(jù)中的49個(gè)樣本就是二維平面上的49個(gè)點(diǎn)，如圖1所示。

表2為分類函數(shù)系數(shù)，即費(fèi)歇爾線性判別函數(shù)系數(shù)，可以據(jù)此建立三類泥巖費(fèi)歇爾線性判別模型。

第一類：

第二類：

第三類：

表2 分類函數(shù)系數(shù)

根據(jù)泥巖費(fèi)歇爾線性判別模型，將各類泥質(zhì)巖的K、U、Th計(jì)數(shù)率以及總計(jì)數(shù)率A作為相應(yīng)變量值代入三個(gè)判別函數(shù)模型，比較計(jì)算出的三個(gè)函數(shù)值1、2和3，1最大，則對(duì)應(yīng)泥質(zhì)巖歸入第1類；若2最大，則對(duì)應(yīng)泥質(zhì)巖歸入第2類；若F3最大，則對(duì)應(yīng)泥質(zhì)巖歸入第3類。

表3為已知分類的樣本空間的預(yù)測(cè)分類結(jié)果，表3中的預(yù)測(cè)類結(jié)果是根據(jù)以上三類泥巖費(fèi)歇爾線性判別模型得出。

由表3可知，1類的判別正確率為100%，可以完全與另外兩類區(qū)分；2類和3類的判別正確率分別為70%和76.92%。由圖1可知，1類與2、3類泥巖分布距離較遠(yuǎn)，能夠完全加以區(qū)分；而2、3類分布距離較近，部分樣本出現(xiàn)重疊，總區(qū)分度可達(dá)72.09%。三種泥巖在組成成分上的差別在于深灰色含灰泥巖灰質(zhì)含量低，而深灰色灰質(zhì)泥巖與灰色灰質(zhì)泥巖兩者灰質(zhì)含量較高，因此2、3類樣品區(qū)分度相對(duì)1類樣品來說較低。

根據(jù)建立的判別函數(shù)對(duì)余下29個(gè)樣品進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果列于表4。根據(jù)已有的資料可知47、48號(hào)樣品為深灰色含灰泥巖，49?65號(hào)樣品為深灰色灰質(zhì)泥巖，66?75號(hào)樣品為灰色灰質(zhì)泥巖。由表4可知，已建立的判別函數(shù)對(duì)所有未分組樣品的總判別正確率為72.41%，其中深灰色含灰泥巖、深灰色灰質(zhì)泥巖以及灰色灰質(zhì)泥巖各自的判別正確率分別為100%、76.47%和60%；g能譜法基本上可以劃分泥巖和含灰泥巖，對(duì)成分接近的兩種含灰泥巖也有一定的劃分效果。

表3 分類預(yù)測(cè)結(jié)果

注：帶**表示出現(xiàn)錯(cuò)判現(xiàn)象，1類為深灰色含灰泥巖，2類為深灰色灰質(zhì)泥巖，3類為灰色灰質(zhì)泥巖

Notes: ** represent misjudgment phenomenon, Class 1 for dark gray mudstone containing, Class 2 for dark grey calcareous mudstone, Class 3 for grey calcareous mudstone.

表4 檢驗(yàn)樣品的分類結(jié)果

3 結(jié)語

(1) 由實(shí)驗(yàn)可得，根據(jù)K、U、Th計(jì)數(shù)率及總計(jì)數(shù)率A基本上可以識(shí)別深灰色含灰泥巖，而對(duì)于深灰色灰質(zhì)泥巖以及灰色灰質(zhì)泥巖的識(shí)別效果較好，但不能完全區(qū)分。由此可得，g能譜法對(duì)于成分差異較大的巖性識(shí)別效果很好，但對(duì)一些組成成分差異較小的巖性識(shí)別效果欠佳。(2) 低本底g能譜法具有成本低，易推廣的優(yōu)點(diǎn)，可望在類似工作中推廣應(yīng)用。(3) 本實(shí)驗(yàn)是利用常規(guī)的低本底g能譜儀系統(tǒng)。儀器的分辨率較低，樣品用量太少，造成放射性測(cè)量的靈敏度較低，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。實(shí)際應(yīng)用中，可針對(duì)巖屑測(cè)量設(shè)計(jì)合適的鉛室和探測(cè)裝置，提高工作效率和測(cè)量精度。

1 郭余峰, 高升. 巖樣自然伽瑪能譜的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[J].測(cè)井技術(shù), 1995, 19(1): 58–62GUO Yufeng, GAO Sheng. The data base management system for natural gamma ray spectrometry of rock samples[J]. Well Logging Technology, 1995, 19(1): 58–62

2 郭余峰, 傅石友, 杜鴻烈, 等. 松遼盆地三肇地區(qū)自然伽馬能譜與巖性參數(shù)的關(guān)系[J]. 石油學(xué)報(bào), 1996, 17(2): 24–28. DOI: 10.7623/syxb199602004 GUO Yufeng, FU Shiyou, DU Honglie,. Relations between natural gamma ray spectrometry and lithologic parameters in Sanzhao region of Songliao basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 1996, 17(2): 24–28. DOI: 10.7623/ syxb199602004

3 王連升. 大慶油田巖石自然g放射性與巖性的關(guān)系[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā), 1986, 5(3): 75–82 WANG Liansheng. Relationship between radioactivity of natural gamma ray from rocks and lithology in Da Qing oil field[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Da Qing, 1986, 5(3): 75–82

4 王連升. 巖樣自然伽瑪能譜測(cè)量與巖性關(guān)系研究[J]. 測(cè)井技術(shù), 1987, 11(1): 29–41 WANG Liansheng. Relationship between radioactivity of natural gamma ray from rocks and lithology[J]. Well Logging Technology, 1987, 11(1): 29–41

5 趙澄林, 朱筱敏. 沉積巖石學(xué)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2001

ZHAO Chenglin, ZHU Xiaomin. Sedimentary petrology[M]. Beijing:Petroleum Industry Press, 2001

6 曾允孚, 夏文杰. 沉積巖石學(xué)[M]. 北京: 地質(zhì)出版社,1986 ZENG Yunfu, XIA Wenjie. Sedimentary petrology[M]. Beijing: Geological Publishing House,1986

7 邰淑彩, 孫韞玉, 何娟娟. 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]. 第二版. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2005 TAI Shucai, SUN Yunyu, HE Juanjuan. The application of mathematical statistics[M]. 2ndEd. Wuhan: Wuhan University Press, 2005

8 Turhan S, Gunduz L. Determination of specific activity of226Ra,232Th and40K for assessment of radiation hazards from Turkish pumice samples[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2008, 99(2): 332–334. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2007.08.022

g-ray spectrometry to identify the classification of well drilling debris of sedimentary rocks based on SPSS

GU Runqiu1LAI Wanchang1LIN Hongjian1YAN Ronghui2WANG Gang2ZHANG Lijiao1ZHU Meiying1HUANG Zijian3HUANG Jinchu1

1(The College of Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China);2(Exploration Department of Petro China Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China);3(Panjin Recorded in Oil and Gas Technology Services Ltd, Panjin 124010, China)

Background: The application of gamma ray spectroscopy on the classification for the sedimentary rocks is helpful to solve the problem of small classification and the long cycle for chemical analysis of the sedimentary rocks. Purpose: This study aims to introduce a method of determining the content of natural radionuclides K, U, Th in the well drilling debris with the low background gamma ray spectroscopy for dipartition among dark gray ash mudstone, dark grey calcareous mudstone and grey calcareous mudstone. Methods: Count rates of K, U, Th in the energy ranges of 1.37–1.56 MeV, 1.66–1.86 MeV and 2.41–2.81 MeV were selected to represent the intensity of radioactivity of K, U, Th. The fisher discriminant criterion was applied to measured count rates of various samples for classification of sedimentary rocks using the Statistical Product and Service Solutions (SPSS) software. Results: According to the count rate of K, U, Th and total count rate of the three mudstones carry out the discriminant analysis of rock lithology by using SPSS software, the accuracy rate reached 100%, 76.47% and 60%, respectively. Conclusion: Gamma ray spectrometry method is of great significance for the division of sedimentary rocks in small class. It could be used to completely identify the dark gray mudstone and the identification effect for dark grey calcareous mudstone, and grey calcareous mudstone is good, but not distinguish them completely.

Gamma ray spectrometer, Analysis of cores, Discriminant analysis

TL182

TL182

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080504

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(No.2012AA06180303)資助

辜潤(rùn)秋，女，1991年出生，2013年畢業(yè)于成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹藘x器與測(cè)控技術(shù)

賴萬昌，E-mail: lwchang@cdut.edu.cn

2015-04-28，

2015-05-21