利用測井曲線圖論多分辨率聚類識別松南地區(qū)火山巖巖性

毛永強,李寧,田軍,曹開芳

(中國石化東北油氣分公司勘探開發(fā)研究院,吉林長春130062)

0 引 言

由于火山巖成分較為復雜,常規(guī)錄井巖屑對火山巖巖性的判別并不完全準確,而鉆取巖心只是針對局部地層,且成本較高,因此學者們研究了通過測井曲線進行巖性校正的方法。元素俘獲能譜測井及層析成像測井等特殊測井是巖性識別的重要補充資料[1-2]。元素能譜測井對火山巖中的金屬元素的含量敏感,可以用來判別巖性,但其成本高,推廣范圍有限。通常利用常規(guī)測井曲線識別火山巖的方法建立交會圖識別版[3-4],圖版在實際應(yīng)用的過程中不能有效區(qū)分火山巖與碎屑巖,且火山巖巖性之間界限也比較模糊。因此,在分析測井響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上,數(shù)學算法被引入以解決問題[5-6],安鵬等[7]研究了利用深度學習劃分砂巖、泥巖、碳酸鹽巖等9種巖性,取得了較好的效果。聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘的非常重要的算法之一,自其被提出作為測井曲線分析工具以來[8],國內(nèi)研究學者也開展了一些工作,田雨等[9]運用了聚類方法在阿姆河盆地右岸地區(qū)碳酸鹽巖臺內(nèi)灘氣田進行了巖相預測,時新磊等[10]基于圖論多分辨聚類法的測井相劃分方法確定了測井相與巖相對應(yīng)關(guān)系建立了基于測井相約束的滲透率評價模型,但應(yīng)用圖論多分辨聚類法識別火山巖巖性的實例較少。因此,本文以松南地區(qū)南部龍鳳山地區(qū)火石嶺組火山巖為研究對象,通過分析不同火山巖巖性的測井響應(yīng)機理,深度挖掘不同巖性的測井響應(yīng)特征,采用了圖論多分辨率聚類法進行巖性識別與劃分。

1 研究區(qū)火山巖測井響應(yīng)特征分析

火石嶺組沉積時期處于松遼盆地的初始裂陷階段,巖性為灰色粉砂巖、泥巖與粗砂巖、砂礫巖不等厚互層,局部發(fā)育的火山巖巖性主要為中基性火山熔巖和火山碎屑巖,熔巖有灰、深灰色安山巖、玄武安山巖、玄武巖,火山碎屑巖以凝灰?guī)r為主,局部少量火山角礫。不同巖性的火山巖,其化學成分和礦物成分的變化在電學、聲學等方面有不同的響應(yīng)特征(見圖1)。

圖1 不同巖性測井響應(yīng)特征分析

1.1 自然伽馬及放射性特征

從基性到酸性火山巖,巖石中的鉀體積分數(shù)逐漸增高,因此酸性火山巖的放射性逐漸增大。從A1井的自然伽馬值統(tǒng)計圖可見,火山巖從基性玄武巖、中性安山巖到酸性凝灰?guī)r,自然伽馬值逐漸增大,總體而言基性火山巖與碎屑巖差異更大,中酸性火山巖與碎屑巖自然伽馬疊置。

巖石中的鈾、釷、鉀的同位素放射性是巖石反射性強度大的主要原因,參考準噶爾盆地的火山巖取心鑒定資料,認為從基性到酸性火山巖,鈾、釷、鉀含量逐漸增加,巖石的放射性逐漸增強,而無論是基性還是酸性,火山碎屑巖的放射性一般低于同質(zhì)的熔巖,其伽馬值較同質(zhì)熔巖低。因此自然伽馬曲線和鈾、釷、鉀的含量曲線可以聯(lián)合起來識別火山巖巖性。

研究井未測量自然伽馬能譜。從光電吸收截面指數(shù)值統(tǒng)計圖中可以看出,火山巖從基性玄武巖與凝灰?guī)r較安山巖小,與碎屑巖相比,凝灰?guī)r與泥巖范圍相近、火山熔巖與砂巖相近。

1.2 電性特征

火山巖的電阻率一般高于沉積巖,因此,電阻率測井可以用來區(qū)分火山巖和沉積巖。參考其他地區(qū)的研究成果,火山巖含流體情況對電阻率測井值的影響相對于巖石的礦物成分蝕變孔洞以及裂縫發(fā)育程度較小,火山巖的結(jié)構(gòu)特征卻能夠在電阻率的齒化結(jié)構(gòu)上有所反映,因此,電阻率測井常被用來區(qū)分火山熔巖和火山碎屑巖。研究井的電阻率對于區(qū)分玄武巖和安山巖效果較好,凝灰?guī)r則較難區(qū)分。

1.3 三孔隙度特征

玄武巖次生蝕變后的次生礦物含有大量的結(jié)合水導致中子測井值增大。導致基性火山巖的中子骨架通常大于酸性火山巖,因此,從基性至酸性火山巖其中子測井值的分布范圍有依次減小的趨勢。

一般而言,火山巖的密度大于碎屑巖密度,從基性至酸性火山巖,隨著火山巖化學成分的變化,密度測井值依次減小,從玄武巖和酸性凝灰?guī)r有密度較小的趨勢,安山巖的密度值與玄武巖一般會有疊置,研究井安山巖密度低于玄武巖。

火山巖的聲波時差通常明顯小于沉積巖,從基性到酸性火山巖聲波時差逐漸增大,火山巖的聲波時差以致密的基性玄武巖最低,酸性的流紋巖最高火山碎屑巖;在火山爆發(fā)的過程中巖石破碎,結(jié)構(gòu)和排列空間相對疏松,聲波時差一般高于熔巖。實際鉆井過程中,純?nèi)蹘r較少,大部分以中基性火山碎屑巖存在,同時聲波時差還會受巖石蝕變、氣孔或裂縫發(fā)育的影響而增大,因此與碎屑巖多有疊置。

2 火山巖測井圖版識別法

不同巖性的火山巖巖性其測井響應(yīng)特征存在差異,是測井識別火山巖巖性和儲層的巖石物理學依據(jù)[11],也是進一步劃分火山噴發(fā)期次、研究火山巖儲層各項參數(shù)的基礎(chǔ)。準噶爾地區(qū)火山巖巖性識別主要采用三步法:①通過密度與中子交會識別火山巖與沉積巖;②利用自然伽馬與密度交會識別火山巖成分;③利用自然伽馬與電阻率交會識別火山巖結(jié)構(gòu)特征。松遼盆地對于利用圖版法識別火山巖巖性,通常使用自然伽馬與釷交會結(jié)合自然伽馬與光電吸收截面指數(shù)交會,該區(qū)根據(jù)巖心測試結(jié)果,建立了相似的模板(見圖2)。

圖2 LFS地區(qū)火山巖取心巖性模板分析

由于放射性差異、聲學特性、密度成分等多方面差異,火山巖與碎屑巖在測井響應(yīng)特征上差異較為明顯,但是也相互疊置。從自然伽馬與釷交會圖上[見圖2(a)]可以看出,相對于碎屑巖,研究區(qū)的中基性火山巖表現(xiàn)為低伽馬、低釷特征,一部分低于碎屑巖,一部分與碎屑巖相當。從自然伽馬與光電吸收截面指數(shù)交會圖上[見圖2(b)],自然伽馬低于碎屑巖的主要為玄武巖,與碎屑巖自然伽馬相當?shù)闹饕前采綆r、安山質(zhì)凝灰?guī)r及火山角礫巖,火山角礫可以通過低光電吸收截面指數(shù)特征區(qū)分。因此,隨著研究深入,發(fā)現(xiàn)單一圖版存在3個問題:①常用圖版一旦將碎屑巖放入,則會與火山巖疊置,即地層中有碎屑巖時火山巖與碎屑巖在測井曲線上較難區(qū)分;②圖版之間火山巖巖性并沒有明顯界限,如安山巖與凝灰?guī)r巖在巖心圖版上能用伽馬區(qū)分,但取心段有限,凝灰?guī)r成分變化影響自然伽馬值域變化;③對于沒有自然伽馬能譜測井的條件下,單圖版法應(yīng)用受到局限,多圖版分步應(yīng)用分析也較為復雜。

3 圖論多分辨率聚類法

聚類分析的基礎(chǔ)是相似性,是一種基于數(shù)據(jù)相似性表征的數(shù)學算法。常用聚類分析包括優(yōu)勢層次聚類、相似閾值法、圖論聚類法等。優(yōu)勢層次聚類層次聚類分析缺點在于單一步驟(合并或分裂)完成,就不能被撤銷。相似閾值法過度依賴關(guān)鍵井的模型與其他數(shù)據(jù)集之間的相似性,訓練數(shù)據(jù)中未描述的相在井中預測和異常數(shù)據(jù)影響到井數(shù)據(jù)時,結(jié)果誤差會很大。圖論聚類法基于非參數(shù)K近鄰和圖形數(shù)據(jù)表示的多維點模式識別方法對數(shù)據(jù)的底層結(jié)構(gòu)進行分析,并形成可能具有非常不同的密度、大小、形狀和相對分離的自然數(shù)據(jù)組,確定最佳聚類數(shù)后允許研究人員定義相實際需要的細節(jié)級別,據(jù)此可以根據(jù)取心數(shù)據(jù)對巖性進行校準,因此嘗試了圖論多分辨率聚類法進行火山巖巖性識別。

圖論多分辨率聚類法識別巖性主要是在對測井曲線進行異常值去除等優(yōu)化處理的基礎(chǔ)上,通過選取多條巖性敏感測井曲線作為分析曲線,利用KNN臨近算法對這些曲線進行不同巖性相似特征聚類,隨后利用核心代表指數(shù)選定最佳聚類方案,具體算法參考文獻[9-11]。再用錄井確認層段巖性及取心段巖性對聚類結(jié)果進行刻度,最后將聚類結(jié)果按照測井曲線范圍劃分巖性類別。其具體流程見圖3。

圖3 圖論多分辨率率聚類巖性識別流程

依據(jù)圖論聚類法對研究區(qū)實鉆井進行巖性識別,首先在優(yōu)化測井曲線基礎(chǔ)上分析不同測井曲線分析巖性的差異,使其既能夠區(qū)分碎屑巖與火山巖,又能夠?qū)鹕綆r巖性類別有一定劃分(見圖4)。聲波曲線能夠區(qū)分玄武巖,其他巖性均疊置,密度曲線各種巖性相比整體差異較小。因此,最終選取了自然伽馬、電阻率、光電吸收截面指數(shù)及中子4條對于巖性區(qū)分度較大的測井曲線。

圖4 不同巖性測井曲線差異分析(左為考慮碎屑巖,右圖為不考慮碎屑巖)

圖5 預測結(jié)果與地質(zhì)實際巖性對比

圖5為預測A1井火山巖層段的巖性與實際巖性對比圖?？梢钥闯龌鹗瘞X組上部的泥巖和砂巖能夠與火山巖區(qū)分開來,且火山巖細分巖性區(qū)分效果較好,取心段3 518～3 526 m為酸性凝灰?guī)r及凝灰?guī)r互層夾安山質(zhì)凝灰?guī)r,與預測結(jié)果吻合。預測安山巖段中間均有凝灰?guī)r夾層,錄井分析火山巖巖屑局部不準,而預測與取心段巖性均符合,認為預測巖性為正確巖性。

4 結(jié) 論

(1)由于火山巖成分結(jié)構(gòu)的復雜性,常規(guī)的曲線直接識別與測井圖版對于識別火山巖均存在疊置,采用圖論多分辨率聚類方法能夠較為準確地區(qū)分碎屑巖與火山巖并識別火山巖巖性。

(2)中子、聲波等測井曲線均受氣孔、溶蝕孔洞流體影響較大,在選取這2條曲線作為樣本曲線時需要慎重,建議在中子和聲波均能區(qū)分巖性時,只選擇其中1條作為樣本模型輸入。

(3)圖論多分辨率聚類為巖性識別節(jié)省了大量工作量和成本,能夠使用常規(guī)測井曲線校正錄井巖性局部不準確情況,其結(jié)果受曲線樣本影響及算法變化等因素還需要深入分析,使其能夠廣泛應(yīng)用。