川東飛仙關(guān)組鮞粒灘巖性識別及其分布特征

摘 要 【目的】為解決針對川東海槽南段西側(cè)、臺內(nèi)等地區(qū)飛仙關(guān)組巖性變化不明確等問題。【方法】綜合利用巖心、薄片、鉆錄井等多元地質(zhì)數(shù)據(jù)對飛仙關(guān)組巖性類型及特征進行研究，提出以機器學習為基礎(chǔ)的巖性測井智能識別方法，解決了老區(qū)巖性精細識別的技術(shù)難題，揭示了區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)組鮞粒灘巖性、分布及演化規(guī)律。【結(jié)論與結(jié)果】（1）飛仙關(guān)組主要由泥巖、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、鮞粒云巖、泥晶云巖、膏質(zhì)云巖、膏巖等巖性組成；（2）對比發(fā)現(xiàn)，改進的梯度提升決策樹算法即隨機梯度提升決策樹（SGBDT）構(gòu)建巖性模型優(yōu)于其他算法，更適合碳酸鹽巖復雜巖性識別；（3）鮞粒灰?guī)r集中發(fā)育于開江—梁平海槽以南地區(qū)的飛一段—飛三段時期，鮞粒云巖集中發(fā)育于飛二段時期且分布分散；（4）區(qū)內(nèi)鮞粒灘分布差異明顯，飛一段時期主要發(fā)育于臺地古地貌高點和臺地邊緣，飛二段時期多發(fā)育臺緣鮞粒灘，少量發(fā)育臺內(nèi)古地貌高點鮞灘和點灘，飛三段時期主要發(fā)育臺內(nèi)點灘。

關(guān)鍵詞 SGBDT算法；巖性識別；沉積演化；鮞粒灘分布特征；飛仙關(guān)組；川東

第一作者簡介 葉榆，男，1998年出生，碩士研究生，測井地質(zhì)與巖石學，E-mail： 907344565@qq.com

通信作者 程超，男，博士，副教授，應(yīng)用地球物理和油藏描述，E-mail： ylksh@swpu.edu.cn

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

自20世紀90年代以來，眾多學者圍繞四川盆地下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組沉積相類型、相帶展布[1?15]及氣藏主控因素[9?11，15]等開展了大量研究，相繼在普光、龍門、高峰場、巫山坎、雙家壩等海槽臺緣地帶取得重大突破。截至目前，天然氣探明儲量累計超過6 000×108 m3。然而，飛仙關(guān)組儲層類型復雜、巖性多樣，不同巖性測井曲線響應(yīng)特征差異不明顯，海槽南段西側(cè)、臺內(nèi)等地區(qū)巖性變化規(guī)律及沉積格局演化規(guī)律不明確，嚴重制約了天然氣勘探進度。

根據(jù)各種測井曲線間的內(nèi)在聯(lián)系，傳統(tǒng)的交會圖和雙礦物模型等在非均質(zhì)性強烈的碳酸鹽巖巖性識別中應(yīng)用效果并不突出，數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象較為嚴重，巖性解釋精度受限[4?13]。隨著機器學習算法在巖性識別領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeural Network，ANN）、支持向量機等“黑盒算法”[16?18]均是近年的研究熱點，這些黑盒算法對數(shù)據(jù)與屬性的因果關(guān)系有所表征，但忽略了測井數(shù)據(jù)隨深度變化的前后關(guān)聯(lián)，因此其巖性識別的準確度有待提升。相較于黑盒算法，“白盒算法”決策樹對復雜碳酸鹽巖識別具有顯著優(yōu)勢，對于各種影響因素有著深刻的表征以及指導作用[19?36]。而梯度提升決策樹（Grandient Boosting Decision Tree，GBDT）是解決不均衡數(shù)據(jù)的高預測精度算法[37?38]，通過殘差分析對目標進行精確分類，但其運算量龐大，導致計算速度低、資源占用量大。為此，將隨機因素引入GBDT，提出利用隨機梯度提升決策樹（Stochastic GrandientBoosting Decision Tree，SGBDT）算法[39?41]建立老井巖性測井精細識別模型，并對全區(qū)飛仙關(guān)組巖性進行識別，在此基礎(chǔ)上總結(jié)有利巖性分布及沉積格局演化規(guī)律，以期為后續(xù)地質(zhì)研究提供有力依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東部[1]（以下簡稱“川東”）（圖1a），受晚二疊世—早三疊世北部構(gòu)造帶和峨眉地裂的共同影響，形成以開江—梁平海槽為主的槽臺沉積格局[5，8，15]。區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)組在長興組古地貌基礎(chǔ)下繼承性沉積，海槽逐漸被“填平補齊”。水體逐漸變淺，至飛仙關(guān)組中—晚期，逐漸演化成碳酸鹽巖開闊臺地，末期則形成蒸發(fā)臺地[4?9]。依據(jù)電性、巖性特征[9?15]，將區(qū)內(nèi)飛仙關(guān)期劃分為四段，即：飛仙關(guān)組四段（飛四段）、飛仙關(guān)組三段（飛三段）、飛仙關(guān)組二段（飛二段）、飛仙關(guān)組一段（飛一段）（圖1b）。飛四段巖性主要由紫紅色泥巖、膏質(zhì)云巖、石膏巖、泥晶云巖構(gòu)成；飛三段以泥晶灰?guī)r為主，局部夾薄層鮞粒灰?guī)r；飛二段巖性主要為泥晶灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r，受白云石化和組構(gòu)溶蝕作用影響[15]，部分地區(qū)形成鮞粒云巖；受陸源碎屑和古地貌差異等因素影響，區(qū)內(nèi)自SW至NE向發(fā)育混積臺地相和清水臺地相[15]，混積臺地相飛一段底部為泥質(zhì)灰?guī)r，下部為泥晶灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，向上局部地區(qū)發(fā)育鮞粒灰?guī)r，頂部則為紫紅色泥巖，清水臺地相主要發(fā)育泥晶灰?guī)r，少部分地區(qū)發(fā)育鮞粒灰?guī)r（圖2）。

2 巖性及測井響應(yīng)特征

2.1 泥晶灰?guī)r

泥晶灰?guī)r巖心主要為灰、深灰和暗褐灰色，見水平層理。從薄片可以看出，主要由泥—粉晶方解石構(gòu)成，幾乎不含泥紋，孔隙發(fā)育差，巖心孔隙度介于0.6%～1.54%，平均為1.03%。其沉積特征表明該類巖石形成于水體較為安靜的環(huán)境中，在開闊臺地內(nèi)部靜淺水、斜坡帶以及較深水盆地（海槽）等環(huán)境中均有分布。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：自然伽馬（GR）低值，補償中子（CNL）低值，聲波時差（AC）低值，補償密度（DEN）中—高值，深側(cè)向電阻率（RT）高值（圖2a）。

2.2 鮞粒云巖

鮞粒云巖巖心為淺灰、褐灰色，見槽狀、板狀交錯層理。從薄片可以看出，鮞粒主要為殘余鮞，由他形—半自形粉晶白云石組成，孔隙以粒間溶孔、晶間溶孔為主，巖心孔隙度介于1.53%～12.34%，平均為5.07%，為最有利儲層巖性，形成于水動力條件較強的沉積環(huán)境之中，如臺地邊緣（臺緣灘）、臺內(nèi)局部地貌高地（臺內(nèi)點灘）等。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：補償密度（DEN）中等，深側(cè)向電阻率（RT）中值（圖2b）。

2.3 鮞粒灰?guī)r

鮞粒灰?guī)r巖心以灰、深灰和灰白色為主，分選、磨圓中等—好。從薄片可以看出，多為正常鮞粒，粒間孔發(fā)育，見少量粒內(nèi)溶孔，部分鮞粒被白云石交代，巖心孔隙度介于1%～3%，平均為2.08%，為有利儲層巖性，形成于臺地邊緣和臺內(nèi)點灘等水動力較強的沉積環(huán)境。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：補償密度（DEN）中等，深側(cè)向電阻率（RT）中—低值（圖2c）。

2.4 膏質(zhì)云巖

膏質(zhì)云巖巖心為淺灰色，見石膏結(jié)核和少量針孔，發(fā)育層狀層理，由泥晶白云石組成，巖心孔隙度介于0.35%～1.26%，孔隙發(fā)育差，多分布于潮坪和灘間海中。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：補償密度（DEN）高等，深側(cè)向電阻率（RT）中—高值（圖2d）。

2.5 泥晶云巖

泥晶云巖巖心為淺灰—灰色，發(fā)育層狀層理，含少量灰質(zhì)，巖心孔隙度介于0.86%～1.65%，與膏質(zhì)云巖呈互層產(chǎn)出。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：補償密度（DEN）高等，深側(cè)向電阻率（RT）中—高值（圖2e）。

2.6 泥質(zhì)灰?guī)r

泥質(zhì)灰?guī)r巖心為灰—深灰色，發(fā)育層狀層理，主要由泥—粉晶方解石構(gòu)成，含較多的泥紋，含少量完整生物，如介形蟲、腹足等，孔隙發(fā)育差，巖心孔隙度介于0.49%～1.33%，多見于斜坡—海槽環(huán)境。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：自然伽馬（GR）低—中值，補償密度（DEN）中— 高等，深側(cè)向電阻率（RT）中— 低值（圖2f）。

2.7 膏巖

膏巖巖心為白色、淺灰色，通常以結(jié)核狀出現(xiàn)，紋層和變形構(gòu)造發(fā)育，主要分布于飛四段時期的潮坪—蒸發(fā)潟湖環(huán)境之中，常與泥晶云巖伴生，巖心孔隙度小于1%，物性極差。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：自然伽馬（GR）低值，補償密度（DEN）高等，補償中子（CNL）低值，聲波時差（AC）低值，深側(cè)向電阻率（RT）高值（圖2g）。

2.8 泥巖

泥巖主要分布于飛四段時期的蒸發(fā)氧化環(huán)境中，顏色以紅棕色為主，物性極差。常規(guī)測井響應(yīng)特征為：自然伽馬（GR）高值，補償密度（DEN）中等，補償中子（CNL）中—高值，聲波時差（AC）低—中值，深側(cè)向電阻率（RT）低值（圖2h）。

巖石類型、測井常規(guī)曲線交會圖分析顯示（圖3），不同巖性閾值界限不清，數(shù)據(jù)重疊現(xiàn)象較為嚴重，可能導致后期巖性解釋和鮞灘分布等出現(xiàn)極大偏差。為此，以大量薄片鑒定巖性為主，結(jié)合鉆錄井資料、巖性測井響應(yīng)特征參數(shù)建立巖性分類標簽，利用GBDT、SGBDT和ANN算法對數(shù)據(jù)進行高精度分類，即在已知標簽監(jiān)督下，對復雜的、多維的、模糊的不均衡數(shù)據(jù)精細歸類，準確識別不同巖性，在此基礎(chǔ)上對比不同算法優(yōu)劣性，得到高適應(yīng)巖性識別模型，從而完成老井巖性識別任務(wù)。

3 巖性識別

3.1 巖性識別原理

3.1.1 ANN

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），由Frank Rosenblatt[17]在1958年提出的一種前饋式人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：連接多個特征值，經(jīng)過線性和非線性的組合，產(chǎn)生輸出影響其他神經(jīng)元實現(xiàn)非線性映射。根據(jù)有限的數(shù)據(jù)信息，在代價函數(shù)的約束下，對多輸入多輸出非線性數(shù)據(jù)具有良好的預測能力[17?19，42?43]（圖4a）。

3.1.2 GBDT

GBDT算法是以CART決策樹為基學習模型、采用梯度提升（Grandient Boosting）對決策樹多次迭代最終累加形成強學習模型的一種集成學習經(jīng)典Boosting算法（圖4b）[34?38]，具有高預測精度、對Robust損失函數(shù)的利用和對異常值極為敏感的屬性，其開發(fā)目的主要是解決實際不均衡數(shù)據(jù)的分類和回歸問題。

基于Boosting思想，GBDT算法逐次擬合新模型，即在梯度方向上訓練一個新的學習模型來降低前一個學習模型的殘差，并且基于當前學習模型的基礎(chǔ)迭代生成新的學習模型，使其最終與損失函數(shù)負梯度相關(guān)，并與整個集成系統(tǒng)相連接，其計算公式為：

Ym+1（x） = Ym （x） + ρm h （x） 1 ≤ m ≤ M （1）

式中：Ym+1 （x）為第m+1個學習模型；Ym（x）為第m個學習模型；ρm為第m次學習率；h（x）為當前損失函數(shù)負梯度方向上擬合得到的基學習模型；M為迭代設(shè)置總次數(shù)。

具體流程分為四步，即：

（1） 初始化第一個學習模型，設(shè)迭代次數(shù)為M，其計算公式為：

式中：Y0 （x）為初始化學習模型；Q（Ui，ρ）為損失函數(shù)；Ui為第i個預測目標；ρ 為學習率。

（2） 計算此次迭代中回歸樹的擬合目標。即當前損失函數(shù)的負梯度值δm，i，計算公式為：

（3） 經(jīng)過m次迭代，得到模型最優(yōu)的基分類模型Bm：

式中：β 為計算乘子；h（xi;Bm）為最優(yōu)基分類模型Bm的損失函數(shù)負梯度方向上擬合得到的基學習模型。

通過線性尋優(yōu)方式計算最優(yōu)學習率ρm，更新下一個學習模型：

Ym （x） = Ym - 1（x） + ρm h （xi；Bm ） （5）

（4） 重復步驟1～3，直到m=M結(jié)束形成強學習模型G。

3.1.3 SGBDT

由于GBDT算法每次迭代均選取全部訓練集數(shù)據(jù)，導致計算速度慢，資源占用量高，可能發(fā)生過擬合現(xiàn)象。因此，基于Friedman[38]提出的隨機梯度提升（Stochastic Grandient Boosting）方法將隨機因素引入GBDT，改進后得到隨機梯度提升決策樹（SGBDT）（圖4c），即設(shè)定子采樣因子f（flt;1），在每次迭代中隨機選擇部分樣本構(gòu)建學習模型（樣本值選擇而不替換），提高模型泛化能力[36?38]。

Ym （x） = f Ym - 1（x） + ρm h （xi；Bm ） （6）

式中：f 為采樣因子。

3.2 巖性識別模型

3.2.1 測井參數(shù)優(yōu)選

測井響應(yīng)特征是地層中巖性、流體等物理變化的綜合反應(yīng)，不同測井參數(shù)對巖性的敏感性具有明顯的區(qū)分度。在巖性識別前，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)矩陣表征各測井參數(shù)對巖性的敏感性，結(jié)果表明巖性與密度（DEN）、聲波時差（AC）、深側(cè)向電阻率（RT）、自然伽馬（GR）、中子（CNL）整體上具有較高的相關(guān)性（表1）。因此，最終選用這5種作為輸入?yún)?shù)，建立巖性精細識別模型。

3.2.2 巖性識別建模

考慮到巖性模型的適用性與準確性，實驗樣品取自川東地區(qū)不同區(qū)域13口取心井的不同深度（圖1、表2），共獲得7 491個有效數(shù)據(jù)。選用其中12口取心井的3 743個樣本作為訓練集，用剩余一口井（天東100井）的樣本作為模型評估的檢驗集（數(shù)據(jù)見表3），其中泥巖、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、鮞粒云巖、泥晶云巖、膏質(zhì)云巖、膏巖樣本個數(shù)分別為515，308，1 901，2 422，1 017，628，315和385個。利用Python軟件編程，將5條測井曲線與對應(yīng)的巖性標簽分別在ANN、GBDT算法和SGBDT算法程序中進行訓練學習，并在測試集上進行分類預測，得到其對應(yīng)巖性的混淆矩陣、克萊姆相關(guān)系數(shù)和交會圖相關(guān)系數(shù)，作為模型檢驗效果的衡量標準。根據(jù)網(wǎng)格搜索算法調(diào)參確定，GBDT和SGBDT算法決策樹深度為9，學習率為0.1，最小樣本數(shù)為30，葉節(jié)點最小樣本數(shù)為40，迭代次數(shù)根據(jù)期望損失計算公式[36]確定為50次，SGBDT子采樣隨機因子為60%（表4）；ANN算法參數(shù)直接通過Keras程序包導入，其隱藏層神經(jīng)元一般設(shè)置為輸入層神經(jīng)元個數(shù)的1～5倍，經(jīng)過反復訓練嘗試，最終確定5-16-8-1模型效果最佳，其中隱藏層為2層，訓練次數(shù)設(shè)置為10 000次，學習率取優(yōu)為0.01（表5）。

3.3 巖性識別效果檢驗

實驗結(jié)果表明（圖5～7），在天東100 井上，SGBDT算法對泥巖、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、鮞粒云巖、泥晶云巖、膏質(zhì)云巖、膏巖的識別準確率分別為97.30%，95.59%，91.42%，96.92%，100%，95.45%，90.00%，87.08%，其中對儲層有利巖性識別尤為準確，整體上其克萊姆相關(guān)系數(shù)、交會圖相關(guān)系數(shù)分別達到了0.945、0.920，SGBDT算法判別巖性效果優(yōu)，適合于碳酸鹽巖復雜巖性評價。

相較于SGBDT，GBDT的整體識別準確率和相關(guān)系數(shù)略有下降（圖5～7），表明加入隨機因素的SGBDT泛化能力（Robust性）較GBDT有所提高，其改進后的算法足以提供可靠的預測結(jié)果（圖6a）。而ANN算法的整體識別準確率和相關(guān)系數(shù)明顯下降，對泥晶灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r的識別效果較差，其識別準確率分別為67.94%、62.74%，對復雜巖性識別評價效果有待考量。

利用SGBDT決策樹建立的巖性識別模型對研究區(qū)全井進行巖性預測，為了驗證識別模型的適用性能力，選取3口取心井段長短不一且沉積環(huán)境各異的取心井進行檢驗。其結(jié)果表明，SGBDT算法對區(qū)內(nèi)不同沉積相區(qū)的各種巖性識別準確率和整體相關(guān)性均保持在88.5%以上，識別效果較好（表6）。

3.4 有利巖性分布特征

在巖性識別結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)川東飛仙關(guān)有利巖性分布特征。平面上，鮞粒巖多呈透鏡體幾何形態(tài)獨立分布，其中鮞粒灰?guī)r多分布在開江—梁平海槽以南，而鮞粒云巖分布比較分散，一些分布于開江—梁平海槽以北，剩余部分分布于開江—梁平海槽南部邊緣（圖8）。縱向上鮞粒灰?guī)r在飛一段至飛三段均有發(fā)育，而鮞粒云巖集中發(fā)育于飛二段時期，從巖性連井剖面看出，有利巖性縱向多期疊置，夾薄層泥晶灰?guī)r，非均質(zhì)性強，連通性差（圖9）。

4 鮞粒灘演化與分布特征

結(jié)合巖心分析化驗、沉積相帶展布等研究成果[5?15]，總結(jié)了飛仙關(guān)組鮞粒灘演化與分布規(guī)律。飛一段沉積早期，研究區(qū)處于海侵體系域，伴隨海平面的相對下降，古地貌高點的鮞灘灘體暴露于海平面之上，受淡水淋濾作用的影響，被方解石完全充填的鮞灘體發(fā)生組構(gòu)性溶蝕[15]，在此期間發(fā)育的鮞粒灘主要分布于開闊臺地與臺地邊緣（圖10a）。飛一段沉積晚期，陸源碎屑的注入導致開闊臺地沉積環(huán)境逐漸演化為混合臺地環(huán)境，其陡增的泥質(zhì)含量抑制了臺內(nèi)鮞灘的發(fā)育，鮞粒灘在開闊臺地古地貌高點偶有發(fā)育以及未受影響的臺地邊緣發(fā)育（圖10b）。飛二段高位體系域時期，海平面持續(xù)下降，臺地與海槽的轉(zhuǎn)折處處于動蕩的高能水體環(huán)境，鮞粒在臺緣沉積下來，當鮞灘厚度足夠大時，其障壁作用有利于形成富Mg2+的流體，使部分鮞灘灘體白云石化，此期間鮞粒灘儲層主要發(fā)育于臺地邊緣，開闊臺地古地貌高點零星發(fā)育（圖10c）。飛三段時期，研究區(qū)從早期的海侵體系域逐漸過渡為高位體系域，海槽被逐漸填平補齊，臺緣邊緣逐漸向原海槽—斜坡方向遷移，臺緣鮞灘也隨之遷移，該階段鮞粒灘以臺內(nèi)點灘為主（圖10d）。飛四段時期，相對海平面處于極低點，受陸源碎屑和強烈蒸發(fā)效應(yīng)的控制，全區(qū)演化為蒸發(fā)臺地，鮞灘不發(fā)育。

5 結(jié)論

（1） 研究區(qū)巖性復雜，依據(jù)巖心、測錄井資料，共劃分出8種巖性，分別為泥巖、泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、鮞粒云巖、泥晶云巖、膏質(zhì)云巖、膏巖。

（2） SGBDT算法對不均衡的巖性識別數(shù)據(jù)精度足以提供可靠的預測結(jié)果，與ANN、GBDT算法相比，SGBDT算法的巖性識別克萊姆系數(shù)、交會圖系數(shù)分別達到了0.945、0.920，表明該算法有良好的泛化能力且更適合碳酸鹽巖復雜巖性識別。

（3） 區(qū)內(nèi)鮞粒灰?guī)r于飛一段—飛三段時期在開江—梁平海槽以南地區(qū)集中發(fā)育，而鮞粒云巖于飛二段時期集中發(fā)育但分布分散，縱橫向上非均質(zhì)性強，連通性差。

（4） 川東飛仙關(guān)時期鮞粒灘分布差異明顯，飛一段時期鮞灘主要在臺內(nèi)古地貌高地和臺地邊緣發(fā)育；飛二段時期多發(fā)育臺緣鮞灘，臺內(nèi)鮞灘零星出現(xiàn)；飛三段時期受海槽填平補齊影響，臺緣鮞灘向原海槽—斜坡方向遷移，以臺內(nèi)點灘為主；飛四段時期鮞粒灘則不發(fā)育。

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基金項目：國家自然科學基金項目（41430316）；國家科技重大專項（2017ZX05008-004-008）［Foundation： National Natural Science Foundation of China，No. 41430316; National Science and Technology Major Project， No. 2017ZX05008-004-008］