胡 云 譚忠健 張建斌 戴 珩 張向前

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300459)

渤海油田勘探方向逐漸向深層推進(jìn)，深層是未來(lái)儲(chǔ)量增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域。渤中19-6構(gòu)造處于渤中凹陷西南部，西南洼和渤中主洼之間的近南北向構(gòu)造脊上，整體受基底和走滑斷層控制，太古界(Ar)花崗片麻巖潛山是該區(qū)主要勘探目的層系[1-8]。對(duì)于勘探作業(yè)，潛山界面卡取不準(zhǔn)確會(huì)對(duì)鉆井施工安全產(chǎn)生威脅，甚至導(dǎo)致單井報(bào)廢而無(wú)法完成勘探任務(wù)。因此，準(zhǔn)確卡取太古界潛山界面對(duì)深層勘探至關(guān)重要，是深層地質(zhì)資料錄取及油氣藏評(píng)價(jià)的前提條件。通常情況下，主要是通過(guò)潛山構(gòu)造特征、鉆井工程參數(shù)特征、巖性特征、鄰井對(duì)比等綜合判斷潛山界面[9]。然而，渤中19-6潛山界面卡取工作面臨諸多難點(diǎn)：一是深層地震解釋精度不足，潛山界面預(yù)測(cè)誤差大，平均誤差79.7 m，最大誤差296.0 m；二是地層精細(xì)對(duì)比難，上覆地層厚度及巖性組合無(wú)明顯規(guī)律，同時(shí)潛山上覆地層發(fā)育沉積成因的砂巖或砂礫巖，對(duì)潛山界面的識(shí)別存在干擾，難以找到對(duì)比標(biāo)志層；三是由于PDC鉆頭及提速工具的使用，鉆井巖屑細(xì)碎難辨識(shí)[10-13]。

基于以上難點(diǎn)，本文通過(guò)地層礦物及元素統(tǒng)計(jì)分析篩選出敏感礦物及元素，并建立典型地層模型，提出基于降維算法的潛山界面巖性判別方法，一方面解決上覆地層對(duì)比難的問(wèn)題，另一方面通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，利用LDA降維、巖性識(shí)別圖版，提高界面巖性識(shí)別精度。

1 潛山界面識(shí)別方法

渤中19-6太古界潛山和孔店組頂面為多個(gè)具有背斜、斷鼻形態(tài)的復(fù)雜斷塊，又被次級(jí)斷裂分隔為多個(gè)斷塊，自上而下鉆遇地層有第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營(yíng)組、沙河街組及孔店組(孔店組局部缺失)，太古界變質(zhì)巖潛山。構(gòu)造與地層復(fù)雜，地層精細(xì)對(duì)比難度大，難以找到對(duì)比標(biāo)志層；同時(shí)潛山頂部遭受長(zhǎng)期的風(fēng)化、淋濾、溶蝕，風(fēng)化殼鉆井巖屑辨識(shí)難。

1.1 地層敏感礦物及元素篩選

受沉積作用控制，在同一區(qū)域同一層位，每種巖石中的礦物含量基本穩(wěn)定，組成各類礦物的元素含量也是一定的?；谝陨险J(rèn)識(shí)，根據(jù)巖性的不同，利用X射線衍射錄井(XRD)檢測(cè)的13種礦物(石英、長(zhǎng)石、黏土礦物、方解石、白云石、鐵礦物、石膏、硬石膏、重晶石、方沸石、濁沸石、角閃石、輝石)和X射線元素錄井(XRF)檢測(cè)的17種元素(Si、Na、K、Fe、Mg、Ca、Al、Mn、Cl、Ba、Ti、V、Sr、P、S、Ni、Zr)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同地層的元素及礦物的規(guī)律性，但是不同區(qū)域，元素變化特征存在區(qū)別，簡(jiǎn)單通過(guò)曲線變化來(lái)判斷潛山界面有可能因干擾層的存在而判斷失誤。同時(shí)，渤中19-6潛山地層巖性較復(fù)雜，與傳統(tǒng)意義的潛山儲(chǔ)層不同的是由太古界變質(zhì)花崗巖和上覆孔店組砂礫巖共同構(gòu)成的儲(chǔ)層系統(tǒng)，孔店組砂礫巖與太古界變質(zhì)花崗巖成分上存在相似性，對(duì)利用元素錄井來(lái)區(qū)分潛山界面增加了難度。

針對(duì)渤中19-6潛山地層的特點(diǎn)，采用ReliefF算法對(duì)錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。ReliefF算法是著名的過(guò)濾式特征選擇方法，在處理多類問(wèn)題時(shí)，每次從訓(xùn)練樣本集中隨機(jī)取出1個(gè)樣本R，然后從和R同類的樣本集中找出R的k個(gè)近鄰樣本(near Hits)，從每個(gè)R的不同類的樣本集中找出k個(gè)近鄰樣本(near Misses)(圖1)，然后更新每個(gè)特征的權(quán)重。

圖1 ReliefF算法近鄰樣本示意圖

利用ReliefF算法，根據(jù)各個(gè)元素及礦物成分與巖性類別的相關(guān)性賦予特征不同的權(quán)重，權(quán)重值越大表示該特征對(duì)樣本的區(qū)分能力越強(qiáng)，通過(guò)設(shè)置閾值選擇新的特征子集[14-17]，選取渤中19-6潛山地層的敏感元素為Si、Fe、Mg、Ba、K、Na。通過(guò)對(duì)渤中19-6潛山已鉆井的礦物錄井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，除石英、長(zhǎng)石、黏土礦物、非晶質(zhì)外，其他礦物含量極低或基本無(wú)其他礦物，將石英、長(zhǎng)石、黏土礦物作為該區(qū)塊太古界潛山界面的敏感礦物(圖2)。

圖2 衍射礦物及元素權(quán)重分布

1.2 潛山界面類型及巖石組分特征

根據(jù)渤中19-6潛山上覆地層差異性，可分為兩種潛山界面類型，一種是孔店組砂礫巖進(jìn)山，另一種是沙河街組泥巖進(jìn)山。這2種類型的潛山界面電性特征都非常明顯，都表現(xiàn)為高阻特征(圖3、4)?？椎杲M砂礫巖進(jìn)山類型指的是太古界花崗片麻巖的上覆巖性為孔店組砂礫巖，其典型特征為：進(jìn)入潛山界面后，石英含量明顯降低，黏土礦物含量微增，長(zhǎng)石含量微降；Si元素明顯降低，Mg、Fe元素增高(圖3)。沙河街組泥巖進(jìn)山類型指的是太古界花崗片麻巖的上覆巖性為沙河街組泥巖，其典型特征為：進(jìn)入潛山界面后，石英、長(zhǎng)石明顯增高，黏土礦物含量降低；Si、Na、K元素明顯升高，Mg、Fe、Ba元素降低(圖4)。

圖3 孔店組砂礫巖進(jìn)山模式圖(BZ19-6-1井)

注：因工程原因，部分井段測(cè)井曲線不全

1.3 基于降維算法的潛山界面判別方法

利用地層敏感礦物及元素建立了進(jìn)入潛山的礦物、元素變化模式，但是在鉆遇潛山界面時(shí)，如何快速識(shí)別潛山界面的巖性依然具有難度，潛山風(fēng)化殼的礦物、元素特征與上部地層沉積成因的砂礫巖具有一定相似性。因此，需要建立更為精確的解釋圖版來(lái)區(qū)分潛山界面的巖性。

針對(duì)孔店組砂礫巖以及沙河街組砂巖對(duì)潛山界面卡取存在一定干擾的問(wèn)題，通過(guò)降維的方法來(lái)識(shí)別不同巖性。常見(jiàn)的降維方法有線性判別分析算法(linear discriminant analysis,LDA)、主成分分析算法(principal component analysis，PCA)、局部線性嵌入算法(locally linear embedding,LLE)，以及拉普拉斯特征映射算法(laplacian eigenmaps， LE)等[18-19]。

本文采用線性判別分析算法(LDA)對(duì)不同巖性進(jìn)行降維識(shí)別，該算法的基本思想是最大化類間均值，最小化類內(nèi)方差。假設(shè)原始數(shù)據(jù)集D包含了C個(gè)類別，經(jīng)過(guò)LDA降維后降到k維，計(jì)算步驟為[20]：

3) 計(jì)算矩陣Sw-1Sb；

4) 計(jì)算矩陣Sw-1Sb的最大的k個(gè)特征值和對(duì)應(yīng)的k個(gè)特征向量W(w1，w2，…，wk)，得到投影矩陣W；

5) 求降維到k維后的新的投影數(shù)據(jù)集，X=DW。

將ReliefF算法篩選到的Si、Fe、Mg、Ba、K、Na這6種特征元素以及石英、長(zhǎng)石和黏土這3種敏感礦物的含量作為原始數(shù)據(jù)集的特征參數(shù)，利用LDA算法對(duì)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行降維，取最終的維度為2，得到式(1)、(2)中的LD1和LD2兩個(gè)投影空間，具體表達(dá)公式如下：

LD1=-0.022 6Si-0.036 7Na+0.134 1Fe+

0.141 6Mg+0.972 7Ba-0.112 6K-0.014 9石英-

0.024 7長(zhǎng)石-0.023 1黏土礦物

(1)

LD2=0.000 4Si+0.005Na+0.004 4Fe+

0.008 2Mg-0.999 9Ba+0.004 5K+0.000 1石英+

0.000 4長(zhǎng)石+0.000 5黏土礦物

(2)

以LD1為縱坐標(biāo)，LD2為橫坐標(biāo)，建立巖性識(shí)別圖版(圖5)。從該圖版的投點(diǎn)可以看出，新生界沉積砂礫巖、泥巖與花崗片麻巖區(qū)分效果明顯，可以用于太古界潛山界面的判識(shí)。

圖5 LDA巖性識(shí)別圖版

2 應(yīng)用效果

以BZ19-6-8井及BZ19-6-12井為例，依據(jù)鉆前預(yù)測(cè)，本井區(qū)是沙河街組泥巖進(jìn)山。這2口井沙河街組厚層泥巖中發(fā)育薄層砂巖，其元素及礦物特征與潛山頂部特征具有一定的相似性，如Si、Fe元素的交匯特征與潛山特征相似，對(duì)潛山界面的卡取具有一定的干擾性(圖6、7)。將沙河街組砂巖與判斷進(jìn)山后風(fēng)化殼頂部砂礫巖投入巖性識(shí)別圖版，沙河街組砂巖落入正常砂礫巖區(qū)域，而風(fēng)化殼頂部砂礫巖落入花崗片麻巖巖性區(qū)域，分析結(jié)果與測(cè)井結(jié)論相符，通過(guò)圖版的應(yīng)用，準(zhǔn)確識(shí)別了潛山界面。

圖6 BZ19-6-8井潛山界面元素及礦物特征

圖7 BZ19-6-12井潛山界面元素及礦物特征

利用本文提出的潛山界面模式及判識(shí)方法，預(yù)測(cè)渤中19-6潛山界面平均誤差79.7 m(最大296.0 m)的情況下，成功卡準(zhǔn)了該構(gòu)造11口井的潛山界面(圖8、表1)，在確保進(jìn)潛山的前提下，盡量減少進(jìn)山進(jìn)尺，保證了鉆井施工安全；平均地質(zhì)循環(huán)2次/井，減少60%，單井直接節(jié)約循環(huán)時(shí)間6 h，提高了鉆井效率，降低了鉆井費(fèi)用。同時(shí)，準(zhǔn)確地卡準(zhǔn)了潛山界面，成功獲取了潛山頂部鉆井取心資料，取全取準(zhǔn)了地層測(cè)試資料，為潛山儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

圖8 渤中19-6潛山多井對(duì)比

表1 渤中19-6潛山界面深度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1) 通過(guò)ReliefF算法對(duì)渤中19-6潛山地層礦物及敏感元素進(jìn)行篩選，認(rèn)為該區(qū)塊太古界潛山界面的敏感礦物為石英、長(zhǎng)石、黏土礦物，敏感性元素為Si、Fe、Mg、Ba、K、Na。

2) 通過(guò)線性判別分析(LDA)降維方法，建立了太古界潛山界面的LDA巖性識(shí)別圖版，有效區(qū)分了新生界沉積巖以及潛山風(fēng)化殼，能夠更精準(zhǔn)地判別潛山界面。

3) 運(yùn)用本文的方法準(zhǔn)確卡取渤中19-6潛山多口探井潛山界面，為鉆井施工安全、提速提效以及潛山儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。