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探讨塔里木盆地哈拉哈塘二叠系火成岩岩性识别中主成分分析法的运用

2020-06-29 415 上传者：管理员

摘要：塔里木盆地哈拉哈塘地区二叠系火成岩岩性复杂，基于常规的测井分析方法难以很好的识别。针对这一问题，对塔里木盆地YM工区的14口井数据进行了仔细分析并优选出了对火成岩岩性敏感的声波时差（DT24）、自然伽马（GR）等5条测井曲线，并进行主成分分析，构建了Y1至Y5共5个有效信息变量，其中Y1、Y2、Y33个变量的累计方差贡献率占90.63%。因此，将Y1、Y2、Y3这3个变量作为反映5个变量有效信息的主要因素。通过分析Y1、Y2、Y3主成分，可以有效地识别出英安岩、玄武岩、凝灰岩及砂泥岩，据此对YM工区其余井的火成岩岩性进行准确标定。主成分分析法能在尊重原始数据的情况下充分利用各测井响应，在火成岩岩性测井定量识别方面较常规测井解释具有其独特的优势。

关键词：
主成分分析法
二叠系火成岩
交会图分析
岩性分析
岩性识别
岩石学
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在火成岩储层研究中，岩性识别越来越重要。不同的岩石在化学、矿物成分及放射性等特性上差异巨大，可据此区分岩性。而测井响应正是地层岩性差异的综合反应，不同的测井响应对应岩石不同的性质，如声波时差（DT24）变化对应于岩石速度的变化，自然伽马（GR）的变化与地层岩石放射性相关。这些是岩性划分、岩性分析的基础，也是进行岩石物理分析、地震反演的必需资料。

单一的测井曲线包含的岩性信息有限，为了有效综合各种曲线识别岩性的优势且最大限度的防止信息冗余，本文采用主成分分析法构建出包含各类曲线信息的变量Y1至Y5。首先对合理选取的主成分Y1、Y2、Y3绘制三维交会图，在与常规二维交会图进行对比分析后，然后对塔里木盆地哈拉哈塘地区二叠系英安岩、玄武岩、凝灰岩及砂泥岩进行识别，最后对YM工区其余井的火成岩岩性进行精准标定[1,2]。

1、主成分分析法基本理论

主成分分析也称为主分量分析，它是通过数学运算，在尊重原始数据前提下将实际分析中的多个变量转化为少数几个互不相关的综合变量的一种统计学数学分析方法，其主要作用是降维，将多个复杂的因素转化为几个主成分，以提高分析实际问题的效率。其计算过程如下：

假设研究过程中有n个样品，针对这n个样品，观测p个特征变量x1、x2、···、xp，利用其构成N维样品矩阵X。

针对构成的数据矩阵X求取主成分的方法步骤如下：

(1）数据数量级和量纲会对研究结果产生一定的影响。为了消除此种误差，需要对原始数据进行标准化处理：

(2）求取其相关系数矩阵：

(3）利用雅可比方法求解相关矩阵R的特征方程|R-λIp|=0，进而求得特征值λ1≥λ2≥…≥λp>0和相应的正交化单位特征向量：

(4）计算结束后，针对运算结果后的p个主成分，ei=λi/∑pi=1λi为主成分Yi贡献率，∑pi=1ei为前p个主成分的累计方差贡献率，在p个主成分中通过累计方差贡献率大小进行合理的选择，一般选取累计方差贡献率在85%以上的m个主成分来进行综合分析。

2、主成分分析方法在研究区的应用及效果分析

在对测井数据进行主成分分析之前，需要对该区地质资料进行分析，因为地质资料有助于我们直观识别岩性，对研究区火成岩岩性有一个整体的把握。在本次研究中，共选取了56块岩屑薄片进行观察，图1分别为YM工区在二叠系的岩屑薄片，通过对目的层段岩石的分析鉴定，以确定研究区岩性种类与岩石成分，进而指导我们分析研究测井曲线响应特征，同时对主成分分析结果进行验证。

图1YM工区岩屑薄片

研究区火成岩岩性为英安岩、火山碎屑岩和玄武岩，其中英安岩和火山碎屑岩含量较多，英安岩介于碱性与酸性之间，火山碎屑岩主要由凝灰岩以及砂泥岩组成，岩性主要为玻屑凝灰质泥岩-凝灰质砂岩互层而成，其中偶含凝灰质石灰岩，可见少量安山岩，玄武岩在该研究区以少量的夹层形式存在。对测井资料齐全的井进行分析得到了不同火成岩的测井特征如下：英安岩的伽马值最高，玄武岩伽马值较低，凝灰岩和砂泥岩伽马值居中，砂泥岩在各测井曲线特征中均为正常水平。

自然电位（SP）与自然伽马（GR）测井曲线交会图如图2所示。由图2分析可知，自然电位与自然伽马曲线对研究区内火成岩具有较强的划分能力，但是由于火成岩岩性的复杂性造成对测井响应变化的多样性，砂泥岩、英安岩及凝灰岩岩性划分有明显的重叠，玄武岩与砂泥岩有少量重叠。仅用少数测井曲线进行常规交会并不能较完全的区分该区火成岩，于是对该研究区测井曲线做主成分分析。

图2自然电位（SP）与自然伽马（GR）测井曲线交会图

在进行主成分分析时，对原始数据标准化后计算得到相关系数矩阵R，如表1所示。相关系数矩阵通过相关性的大小体现测井曲线信息的重复性，与主成分分析数据降维过程息息相关。由表1可以看出，SP曲线与DEN曲线、DT曲线与DEN曲线具有显著的相关关系，表明不同测井曲线之间存在信息重叠。

表1相关系数矩阵R

之后利用雅可比方法得到相关系数矩阵R的特征值λi。特征值对应的正交单位特征向量矩阵如表2所示，各主成分对应的累计方差贡献率如表3所示。

表2各主成分表达式系数矩阵

表3特征值及主成分累计贡献率

根据主成分分析原理，主成分的累计贡献率达到85%或者接近85%时即可保留原有变量的有效信息。由表3分析可知，主成分Y1、Y2的累积贡献率为78.870%，接近80%，可以先用主成分Y1、Y2做二维交会，以便于和常规SP-GR交会图进行对比，同时为主成分的选取提供依据。根据主成分计算原理，得出主成分Y1、Y2、Y3的函数表达式如下：

式中GR、DT、RXO、SP为标准化的数据。

根据主成分Y1、Y2交会图可知，砂泥岩、英安岩及凝灰岩岩性划分仍然有较大的重叠，但相较于常规SP-GR交会图，重叠部分减少。为了使火成岩岩性识别更加准确，应该增加主成分数量，以融入更多有利信息。

于是在主成分Y1、Y2的基础上加上主成分Y3，此时Y1、Y2、Y3的累积贡献率高达90.634%，表明5条原始测井曲线基本可以用主成分Y1、Y2、Y3表示。主成分Y1、Y2、Y3三维交会图如图3所示。

图3主成分分析岩性识别Y1、Y2、Y3交会图

图3主成分分析岩性识别Y1、Y2、Y3交会图下载原图

图3中，玄武岩、凝灰岩、英安岩和砂泥岩岩性得到了有效的区分，各岩性之间重叠极少，岩性识别的精度得到了极大地提高。

综上可知，主成分分析法综合利用了各条测井曲线对火成岩岩性识别的优势，能有效识别该区火成岩岩性，同时无数据冗余，体现了主成分分析方法的优越性。并将此方法用于该区其余井岩性识别。其中Y井岩性解释结果如图4所示。岩性识别解释结果表明，运用主成分分析方法得到的岩性解释结果与岩石薄片鉴定结果相符，进一步证明了该方法对于该区的岩性识别的可行性与准确性。

图4研究区Y井岩性识别解释

3、结论

火成岩岩性复杂，基于常规的测井分析方法难以很好识别问题,采用主成分分析法将各测井曲线信息融合，构建出对火成岩岩性敏感的Y1至Y5共5个有效信息变量，并通过分析主成分的累积贡献率，选取了Y1、Y2、Y33个主成分进行三维交会分析，实现了对该区英安岩、玄武岩、凝灰岩和砂泥岩的有效区分。采用主成分分析方法对研究区其余井岩性进行了精细划分，与常规测井分析法相比，主成分分析法能整合更多的测井参数，更好的适应于火成岩岩性的测井定量识别。

参考文献:

[2]崔永福,许永忠,彭更新,等.基于多种地震反演方法的哈拉哈塘地区火成岩识别及速度建模[J].东北石油大学学报,2016,40(4):54-62.

张银涛,刘正文,袁敬一,王川,谢舟,万效国,苗青,许永忠,吴浩然.主成分分析在塔里木盆地哈拉哈塘二叠系火成岩岩性识别中的应用[J].能源技术与管理,2020(0