黏土礦物預(yù)測方程的建立及在東營油田的應(yīng)用

蔣文博，丁曉軍，郭華黏，許姍姍，黃 斌，李 信

（中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌 736202）

除了用實(shí)驗的手段實(shí)測礦物含量外，利用測井資料預(yù)測黏土、礦物的種類和含量已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用到地質(zhì)研究中。由于不同礦物元素含量的差異，程國華（2004）用地層元素測井資料確定儲層黏土含量[1]。黏土礦物中伊利石含放射性元素，蒙脫石陽離子交換能力較強(qiáng)，比表面積大，對放射性礦物有很好的吸附性。此外，干酪根富集鈾、釷、鉀放射性元素，也能增加巖石礦物的放射性。鑒于黏土礦物的這些特性，孫建孟（1999）采用回歸分析的方法，應(yīng)用自然伽馬能譜測井確定黏土礦物的類型和含量[2]。其它如中子、密度、聲波時差測井?dāng)?shù)據(jù)也可以通過多元回歸應(yīng)用在確定黏土礦物含量上。前人在這一領(lǐng)域的研究應(yīng)用為此次論文提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)[3]。

1 數(shù)據(jù)選取與預(yù)測模型的建立

采用X′Pert PRO MPD X射線衍射儀對東營凹陷牛38井在深度2 815～3 309 m范圍內(nèi)40個點(diǎn)進(jìn)行礦物成分測定，得到黏土礦物含量數(shù)據(jù)。選取的測井參數(shù)種類包括電阻 （RT）、自然伽馬（GR）、自然伽馬能譜（U、Th、K、CGR）、巖性密度（DEN）、聲波時差（AC）。

研究一個因變量與多個自變量之間的關(guān)系在統(tǒng)計學(xué)上稱為多元回歸。回歸關(guān)系的建立是按照一定的統(tǒng)計程序，經(jīng)過多步擬合和檢驗，從一系列的可供建立回歸模型的自變量中，逐步引入回歸作用顯著的自變量，并從回歸模型中逐步剔除回歸作用變得不再顯著的自變量，以最終求得最優(yōu)回歸模型，這種方法被廣泛地應(yīng)用在各領(lǐng)域科學(xué)研究中[4-6]。

1.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)及單因素相關(guān)性分析

首先，將同深度的黏土礦物和測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)一起來，得出黏土礦物和測井?dāng)?shù)據(jù)深度上一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。測井參數(shù)有8類，這為選取合適種類的測井參數(shù)與元素含量進(jìn)行擬合增加了難度，為此，應(yīng)對測井參數(shù)和黏土礦物含量做簡單的單因素相關(guān)性分析，篩選出對特定黏土礦物響應(yīng)顯著的測井參數(shù)，剔除相關(guān)性不夠顯著的自變量。

1.2 多元一次擬合

逐步增加測井參數(shù)種類，借助LINEST函數(shù)，選擇與黏土礦物相關(guān)性顯著的測井參數(shù)與黏土礦物進(jìn)行多元擬合。擬合過程中，根據(jù)自變量數(shù)目在EXCEL表中選取返回參數(shù)的區(qū)間，一般選取M列（M為自變量數(shù)目）5行，調(diào)出函數(shù)，分別選擇因變量取值區(qū)域和自變量取值區(qū)域，按住Ctrl+Shift+Enter鍵盤，在回歸值區(qū)域內(nèi)就會得到各項回歸值，返回各自變量的系數(shù)，可得到多元一次方程式。

1.3 方程轉(zhuǎn)換及優(yōu)化

剔除返回值中Xm系數(shù)異常小、Xm標(biāo)準(zhǔn)誤差較大所代表的自變量，進(jìn)一步控制自變量的個數(shù)，優(yōu)化回歸方程。對自變量數(shù)值區(qū)域中的參數(shù)進(jìn)行指數(shù)化、對數(shù)化、升冪、降冪等一系列轉(zhuǎn)換，調(diào)用函數(shù)重新擬合，同時觀察返回表格判定系數(shù)和Y估計值標(biāo)準(zhǔn)誤差的變化。選擇能使判定系數(shù)增加而Y估計值標(biāo)準(zhǔn)誤差變小的自變量轉(zhuǎn)換方式，使其對建立最優(yōu)化方程式貢獻(xiàn)最大。

1.4 顯著性水平檢驗

對得出的多元方程式進(jìn)行F顯著性水平檢驗，驗證方程式的有效性。比如確定 LINEST的置信水平α為 0.05，查表得出F0.05（自變量個數(shù)，自由度值）的大小，對比F統(tǒng)計值和它的大小。如果F統(tǒng)計值大于F0.05，說明自變量和因變量的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，擬合得出的多元方程式有效。如果F統(tǒng)計小于F0.05，則擬合所得方程式無效。

經(jīng)過上述4個步驟，建立了東營凹陷高嶺石、伊利石、伊蒙混層和黏土礦物含量的方程式：

2 預(yù)測模型的應(yīng)用

選擇東營凹陷4個洼陷9口典型井進(jìn)行計算，得到黏土礦物含量數(shù)據(jù)（表1，表2）。數(shù)據(jù)顯示沙三下頂面和沙四上頂面黏土礦物總量基本上都未超過礦物總量的50%，沙三下頂面均值為48.9%,沙四上頂面均值為 39.7%。兩個沉積界面黏土礦物的差異主要是受制于沉積環(huán)境的差異，東營凹陷沙四上段為水進(jìn)體系域的間歇供水鹽湖淺水湖型沉積，離岸距離較近，發(fā)育巖湖蒸發(fā)巖，屬于半干旱、半閉塞的淺水環(huán)境，湖水淡化，碳酸鹽巖含量明顯增多，鈣質(zhì)礦物含量相對校多。沙三下段為快速供水半深湖-深湖的微咸水沉積，以深灰色、棕褐色泥巖和油頁巖為主[7-11]，水體相對較深，離岸距離較遠(yuǎn)，沉積物經(jīng)過長距離搬運(yùn)，沉積顆粒較細(xì)，礦物中黏土礦物含量增加。

從黏土礦物組成看，伊利石和伊蒙混層是其主要組成部分（表1，表2），沙三下頂面伊利石含量均值為21.9%，伊蒙混層含量均值為72.5%；沙四上頂伊利石含量均值為 26.8%，伊蒙混層含量均值為60.7。兩種黏土礦物“此消彼長”的現(xiàn)象反映了黏土礦物在地質(zhì)剖面中隨埋深增加，溫度升高，蒙脫石經(jīng)伊蒙混層向伊利石演化的地質(zhì)特征（圖1）。從黏土礦物隨地質(zhì)剖面變化情況看，沙三下-沙四上層段呈現(xiàn)伊蒙混層含量逐漸降低、伊利石含量逐漸升高的趨勢（圖2）。

表1 計算東營凹陷沙三下頂面黏土礦物含量組成

表2 計算東營凹陷沙四上頂面黏土礦物含量組成

圖1 東營凹陷沙三下頂-沙四上頂預(yù)測黏土礦物分布

3 結(jié)論與認(rèn)識

圖2 東營凹陷沙三下-沙四上實(shí)測黏土礦物深度演化剖面

經(jīng)過多元回歸擬合，建立東營凹陷4個黏土礦物預(yù)測的方程式，判定系數(shù)在0.63～0.8之間，顯著性水平檢驗顯示方程式有效。計算本區(qū)域其它典型井的黏土礦物含量表明，東營凹陷沙三下頂面黏土礦物含量高于沙四上頂面黏土礦物含量，這一變化受制于兩個層段水體環(huán)境的差異。黏土礦物中伊蒙混層和伊利石“此消彼長”的現(xiàn)象，反映了黏土礦物在成巖作用階段的演化特征。用多元回歸擬合的方法預(yù)測研究區(qū)域黏土礦物的種類和含量，與沉積環(huán)境的變化及成巖過程中礦物演化有比較好的一致性，說明這一方法在地質(zhì)研究中良好的實(shí)踐性和適用性。

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