CN103617345A - 用元素含量计算地层岩石矿物成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，本发明以元素测井得到的地层元素含量曲线、常规测井曲线为输入信息，结合区域地质参数，计算得出复杂岩性地层的岩石矿物成分的体积含量。本发明适用于各种复杂岩性地层岩石矿物成分的确定，能提高岩石矿物成分及孔隙度计算的准确性。

Description

用元素含量计算地层岩石矿物成分的方法

技术领域

本发明涉及一种计算地层岩石矿物成分的方法，尤其涉及一种用元素含量计算地层岩石矿物成分的方法。

背景技术

现有技术中，测井计算地层岩石矿物成分及其体积含量主要采用常规测井资料进行计算，一般使用3孔隙度曲线计算不超过3种岩石矿物成分，大多采用线性方程组求解方法；也有使用不超过8条常规测井曲线，用带约束的最优化方法求解不超过6种岩石矿物成分。其存在的主要问题在于：测井计算地层岩石矿物成分及其体积含量多是采用常规测井资料进行计算的。当地层存在有多种岩石矿物成分的情况下，由于常规测井资料数量不够，将导致计算得到的岩石矿物成分种类偏少，不能反映地层实际，也会导致孔隙度计算结果不准确。

斯伦贝谢、哈里伯顿等国外公司推出了用元素测井资料计算地层岩石矿物成分的处理方法，能计算多种岩石矿物成分，已在国内使用，见到良好效果。但其存在主要问题：当地层存在有多种岩石矿物成分时，由于常规测井资料数量不够，将导致计算得到的岩石矿物成分种类偏少，因为缺少最能反映岩石矿物成分的元素含量资料，因而很难准确计算地层岩石矿物成分。

并且，斯伦贝谢、哈里伯顿等国外公司推出的元素测井处理方法为专用处理方法，只能处理其本公司的元素测井资料，不能处理其他公司的元素测井资料，使用上受到限制；且国外公司的元素测井资料处理技术高度保密，不对外公开，因而，不能了解和掌握元素测井资料处理的关键技术。

发明内容

    本发明的目的在于克服现有技术中测井计算地层岩石矿物成分及其体积含量存在的上述问题，提供一种用元素含量计算地层岩石矿物成分的方法。本发明适用于各种复杂岩性地层岩石矿物成分的确定，能提高岩石矿物成分及孔隙度计算的准确性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，其特征在于：以元素测井得到的地层元素含量曲线、常规测井曲线为输入信息，结合区域地质参数，计算得出复杂岩性地层的岩石矿物成分的体积含量。

所述方法具体包括以下步骤：

a、地层的岩石空间组成为矿物和孔隙，对于岩石空间的测井响应的体积模型为：

                                                       

    (i=1,2,…m)       （1）

式（1）中：A为系数矩阵，即矿物组分测井骨架响应值；B为测井值，即地层对测井仪器的响应值；X为待求解，即地层岩石矿物成分的体积；m为测井项目数，n为岩石组分个数；

b、通过式（1）得出岩石矿物成分体积：

式（1）的解主要有三种情况：

（1）n>m时，有无穷多个解，无实际意义；

（2）n=m时，有唯一解；

（3）n<m时，超定方程组，有一最优解，最优解即是所求的矿物成分体积含量。

所述方法中，当在有测井得到的地层元素含量的情况下，把地层元素的重量含量加入到式(1)中计算地层组分。

所述方法在岩石矿物成分体积含量计算时，当需要考虑地层中的粘土水部分时，方程组(1)变形展开如下：

  (2)  

式(2)中，分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的密度值（g/cm³）；MPill为伊利石中粘土水所占比例（小数）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的声波时差值（us/ft）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的中子孔隙度（小数）；WSI、WAL、WCA分别为地层中硅元素、铝元素、钙元素的重量含量（小数）；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在石英矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在白云石矿物中的重量含量；分别为硅元素、铝元素、钙元素在伊利石矿物中的重量含量；GR、GRQua、GRDol、GRill分别为地层、石英、白云石、伊利石的自然伽马值（API）；VXWA、VXG、VQTZ、VDOL、VILL分别为地层中自由水、气、石英、白云石、伊利石的体积含量（小数），即为所求的地层岩石矿物成分体积含量。

采用本发明的优点在于：

一、本发明根据元素测井得到的地层化学元素含量资料，用约束最小二乘法、非负约束的奇异值分解法可准确计算出复杂岩性地层的岩石矿物体积，有利于得到更多的岩石矿物类型和提高计算精度，计算速度快，算法易于用计算机语言实现，并且采用本发明一次能确定出多达11种地层岩石矿物成分。

二、本发明因为采用地层中实测的各种元素含量资料，所以有利于提高识别地层岩石矿物含量的准确率。

三、本发明由于计算了合理的岩石矿物成分，所以可提高测井计算孔隙度的准确性。

四、采用本发明计算了页岩气地层的N208井、碳酸盐岩地层的MX205井、碎屑岩地层的JM107井岩石矿物成分，计算结果符合地层实际。

五、本发明可在有元素测井资料的碳酸盐岩、碎屑岩、页岩气、火成岩等任何地层中使用，用于确定岩石矿物成分；也可在实验室中使用，在实验测定出元素含量后，用于确定岩石矿物成分。

六、本发明能在任何地层岩石矿物成分的确定中应用，在碳酸盐岩、碎屑岩、页岩气、火成岩等复杂岩性地层效果更为明显，随着页岩气等非常规油气藏勘探节奏的加快，需要用元素含量准确确定岩石矿物成分的井会越来越多，应用前景好。

综上，本发明可计算出各种地层的主要岩石矿物成分，适合各种复杂岩性地层，能提高岩石矿物成分及孔隙度计算的准确性。

附图说明

图1为 N208井矿物组分含量处理结果对比图

图2 MX205井矿物组分含量处理结果对比图。

具体实施方式

实施例1

一种用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，包括：以元素测井得到的地层元素含量曲线、常规测井曲线为输入信息，结合区域地质参数，计算得出复杂岩性地层的岩石矿物成分的体积含量。

所述方法具体包括以下步骤：

a、地层的岩石空间组成为矿物和孔隙，对于岩石空间的测井响应的体积模型为：

        

    (i=1,2,…m)       （1）

式（1）中：A为系数矩阵，即矿物组分测井骨架响应值；B为测井值，即地层对测井仪器的响应值；X为待求解，即地层岩石矿物成分的体积；m为测井项目数，n为岩石组分个数；

b、通过式（1）得出岩石矿物成分体积：

式（1）的解主要有三种情况：

（1）n>m时，有无穷多个解，无实际意义；

（2）n=m时，有唯一解；

（3）n<m时，超定方程组，有一最优解，最优解即是所求的矿物成分体积含量。

所述方法中，当在有测井得到的地层元素含量的情况下，把地层元素的重量含量加入到式(1)中计算地层组分。

通过最小二乘原理求解带约束条件线性方程组的最优解，得到的最优解即是地层岩石矿物组分含量。

所述方法在岩石矿物成分体积含量计算时，当需要考虑地层中的粘土水部分时，方程组(1)变形展开如下：

  (2)  

式(2)中，

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的密度值（g/cm³）；MPill为伊利石中粘土水所占比例（小数）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的声波时差值（us/ft）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的中子孔隙度（小数）；WSI、WAL、WCA分别为地层中硅元素、铝元素、钙元素的重量含量（小数）；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在石英矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在白云石矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在伊利石矿物中的重量含量；GR、GRQua、GRDol、GRill分别为地层、石英、白云石、伊利石的自然伽马值（API）；VXWA、VXG、VQTZ、VDOL、VILL分别为地层中自由水、气、石英、白云石、伊利石的体积含量（小数），即为所求的地层岩石矿物成分体积含量。

通过式（2）建立的元素含量与矿物组分含量的方程组，求取最优解就可以得到地层中矿物组分及体积含量。

实施例2

解决如何将测井取得的地层元素含量转化成地层岩石矿物体积含量的问题，得到地层岩石矿物组分。

解决其技术问题的技术方案简述如下：

地层的岩石空间组成为矿物和孔隙，其中矿物一般为石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、有机质(干酪根)、石膏、煤、伊利石、绿泥石、蒙脱石等组成。对于岩石空间的测井响应的体积模型为：

            (i=1,2,…m)       (1)

式（1）中：A为系数矩阵，即矿物组分测井骨架响应值；B为测井值，即地层对测井仪器的响应值；X为待求解，即地层岩石矿物成分体积；m为测井项目数，n为岩石组分个数。一般来说多用于常规测井如：补偿中子（CNL），补偿声波（AC），岩性密度（DEN）等，并且岩石空间组分数和实际测井项目数并不总是相等，这就使得（1）式可能是欠定或者超定线性方程组。在有测井得到的地层元素含量的情况下，可以把硅、铝、钙、镁、铁、钾、硫、钛、锰等元素的重量含量加入到(1)式中计算地层组分。实际资料表明，地层化学元素信息作为输入加入到方程组(1)中，不仅能计算更多的岩石矿物成分，还大大提高了岩石矿物成分体积含量的计算精度。

在地层组分计算时，需要考虑地层中的粘土水部分，因此方程组(1)变形展开如下：

 (2)   

式(2)中，

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的密度值（g/cm³）；MP _ill 为伊利石中粘土水所占比例（小数）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的声波时差值（us/ft）；分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的中子孔隙度（小数）；WSI、WAL、WCA分别为地层中硅元素、铝元素、钙元素的重量含量（小数）；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在石英矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在白云石矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在伊利石矿物中的重量含量；GR、GR _Qua 、GR _Dol 、GR _ill 分别为地层、石英、白云石、伊利石的自然伽马值（API）；VXWA、VXG、VQTZ、VDOL、VILL分别为地层中自由水、气、石英、白云石、伊利石的体积含量（小数），即为所求的地层岩石矿物成分体积含量。如果地层中含有蒙脱石、绿泥石等粘土矿物时，也要考虑粘土水部分，方程组中的系数变形与伊利石类似。

不同输入信息的量纲不一样，而且它们的测量值大小的差别也很大，因此在实际计算中要将方程中的系数A及B值进行标准化处理，以便使各种仪器的A和B值都成为无量纲的数，并且在同一数量及上，这样可使得各种测井方法对最终结果具有相同的贡献。标准化处理的方法是将方程的两边同时乘以一个系数，该系数除具有标准化作用外，还具有权系数的作用，质量差的测井曲线应赋予较低的权系数，质量好的测井曲线应赋予高的权系数，从而得到合理的地质结果。

方程组（1）的解主要有三种情况：

（1）n>m时，有无穷多个解，无实际意义；

（2）n=m时，有唯一解；

（3）n<m时，超定方程组，有一最优解，最优解即是所求的矿物组分含量。

最优解求解过程：由线性最小二乘原理，带约束条件的线性方程的求解问题可转换为求目标函数的极小值问题，目标函数为：

任取R中的一个点X* ⁽⁰⁾ ，在X* ⁽⁰⁾ 处f(X)的线性逼近函数为

            

其中，

显然，求线性规划问题minf _L (X*)的最优解，等价于求线性规划问题min[▽f(X*(0))]TX*的最优解。令X _Fl *(0)为最优解，即

       

由线性规划性质可知，X _Fl *(0)必为一个顶点，因此可得

                    

下面分两种情况讨论：

(1)当

时，

就是线性规划问题的解，迭代停止。

(2) 

时，则问题变为极值问题：

的最优解λ0，这时必有0≤λ₀≤1。

令：X*(1)=X*(0)+λ ₀  (X _Fl ^*(0) -X ^*(0) )，把X ^*(1) 作为X ^*(0) 继续用上述方法线性逼近目标函数f(X ^* )，并重复上述步骤，直到满足精度为止，就可求带约束条件方程组的最优解。

得到的最优解即是地层岩石矿物成分的体积含量。

上述方程组还可用奇异值分解法求解。即对任意m×n阶矩阵A做分解之后得到两个正交阵U、V和一个广义对角阵Σ（其中的对角元素就是奇异值），有了这样的描述后，对任意向量X，对应的变换AX就可以用A分解后的三个矩阵来计算了。当解向量有负值时，需要做非负约束处理，具体方法是：令该负值解向量为0，剔除该负值向量对应矩阵A的列，再次进行奇异值分解，得到解向量；重复这一过程，直到没有负值解向量时为止。

实施例3

通过本发明的计算方法得出地层岩石矿物成分如图1、图2所示。图1中，第一道为深度，第二、三、四道为常规测井曲线，第五道元素含量中Al、Fe、Ca、Mg、Su、Si分别为铝、铁、钙、镁、硫、硅元素的重量含量，第六道GEM为哈里伯顿软件处理的矿物组分含量，第七道PROGRAM为本发明计算的矿物组分含量结果，Dolomite为白云石体积、Calcite为方解石体积、Pyrite为黄铁矿体积、Quartz为石英的体积、Kero为干酪根的体积、Illite为伊利石的体积。

图2中，第一道为深度，第二、三、四道为常规测井曲线，第五道元素含量中Al、Fe、Ti、Ca、Mg、Su、Si分别为铝、铁、钛、钙、镁、硫、硅元素的重量含量，第六道ECS为斯伦贝谢软件处理的矿物组分含量，第七道PROGRAM为本发明计算的矿物组分含量结果，Dolomite为白云石体积、Calcite为方解石体积、Anhydrite为石膏体积、Pyrite为黄铁矿体积、Quartz为石英的体积、Bound Water为粘土水的体积、Illite为伊利石的体积。

Claims (4)

1.一种用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，其特征在于：以元素测井得到的地层元素含量曲线、常规测井曲线为输入信息，结合区域地质参数，计算得出复杂岩性地层的岩石矿物成分的体积含量。

2.根据权利要求1所述的用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，其特征在于：

所述方法具体包括以下步骤：

a、地层的岩石空间组成为矿物和孔隙，对于岩石空间的测井响应的体积模型为：

                                                           (i=1,2,…m)       （1）

式（1）中：A为系数矩阵，即矿物组分测井骨架响应值；B为测井值，即地层对测井仪器的响应值；X为待求解，即地层岩石矿物成分的体积；m为测井项目数，n为岩石组分个数；

b、通过式（1）得出岩石矿物成分体积：

式（1）的解主要有三种情况：

（1）n>m时，有无穷多个解，无实际意义；

（2）n=m时，有唯一解；

（3）n<m时，超定方程组，有一最优解，最优解即是所求的矿物成分体积含量。

3.根据权利要求2所述的用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，其特征在于：所述方法中，当在有测井得到的地层元素含量的情况下，把地层元素的重量含量加入到式(1)中计算地层组分。

4.根据权利要求2或3所述的用元素含量计算地层岩石矿物成分体积含量的方法，其特征在于：

所述方法在岩石矿物成分体积含量计算时，当需要考虑地层中的粘土水部分时，式（1）变形展开如下：

   式（2）

 式(2)中，

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的密度值（g/cm³）；MPill为伊利石中粘土水所占比例（小数）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的声波时差值（us/ft）；

分别为地层、自由水、气、石英、白云石、伊利石、粘土水的中子孔隙度（小数）；WSI、WAL、WCA分别为地层中硅元素、铝元素、钙元素的重量含量（小数）；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在石英矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在白云石矿物中的重量含量；

分别为硅元素、铝元素、钙元素在伊利石矿物中的重量含量；GR、GRQua、GRDol、GRill分别为地层、石英、白云石、伊利石的自然伽马值（API）；VXWA、VXG、VQTZ、VDOL、VILL分别为地层中自由水、气、石英、白云石、伊利石的体积含量（小数），即为所求的地层岩石矿物成分体积含量。

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