CN112523749B - 一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，首先在地层元素测井仪测量井段进行取心作业获取岩心，然后在进行测量分析确定地层中主要元素的种类和含量以及主要矿物的种类和含量；获得地层中主要矿物的元素含量响应系数，将元素含量响应系数构成矿物含量反演中使用的转换矩阵；建立关于地层元素测井矿物含量的数学模型，利用地层元素测井仪测量地层中的元素含量，将地层元素测井资料中的元素含量数据使用到数学模型中，并求解得到地层中对应的矿物含量；使用地层元素测井仪测量井段岩心的元素含量数据进行矿物含量的反演得到矿物含量，将矿物含量与岩心试验得到的矿物量进行对比分析，并完成矿物含量反演方法性能的评估。
Description
技术领域
本发明涉及石油测井技术领域，具体涉及一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法。
背景技术
在石油测井和地质资源评价中，详细且准确获得储层的矿物种类和含量对了解复杂岩性和非常规储层至关重要，它可以提供储层评价、完井和产能评价的重要信息。近几十年来通过测井的测量数据预测地层中的矿物含量是一个活跃的研究领域。
储层矿物组分种类和含量的确定是地球物理测井综合解释的重要方面。确定储层矿物含量的思路主要有两种：其一是基于常规测井资料，通过不同常规测井的体积响应方程重建出理论测井响应，然后建立反映实际的测井曲线和重建测井误差的加权平方和的目标函数，然后使用最优化方法求取目标函数在一定的约束条件下的最优解从而获得储层的矿物含量。基于常规资料获取矿物含量的方法受到地层岩石结构和孔隙空间分布等因素的影响，对复杂和非常规储层矿物含量的计算精度不高。
获取矿物种类和含量的另一种方法是基于地层元素测井的元素含量。地层元素测井技术的长足发展使得高精度地测量地层中主要元素的含量成为可能。地层元素测井可以测量到的元素有Si、Ca、Fe、S、Al、K、Na、Mg、C等。通过地球物理反演方法由地层中主要的元素含量获得矿物含量。
目前从地层元素测井获得的元素含量计算矿物含量的方法主要有多元线性回归法和线性规划法，前者没有约束条件，在计算时常出现矿物含量为负的情形，后者在矿物反演中引入了松弛变量，这导致矿物反演的精度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，以解决现有技术存在的缺陷，本发明引入了一种基于二次规划的矿物反演方法，其反演精度得到了较大的改进，适用于地层元素测井资料处理中的矿物含量计算。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，利用地层元素测井仪器测量井段的元素含量，通过元素含量信息计算相应地层中的矿物含量信息，具体包括以下步骤：
(1)在地层元素测井仪测量井段进行取心作业获取岩心，然后再进行测量分析确定地层中主要元素的种类和含量以及主要矿物的种类和含量；
(2)获得地层中主要矿物的元素含量响应系数，将元素含量响应系数构成矿物含量反演中使用的转换矩阵；
(3)建立关于地层元素测井矿物含量的数学模型，数学模型是如下的最优化目标函数：
其中，
式中，‖·‖表示向量的2-范数，表示地层中某位置处m种元素含量构成的m维列向量，/>是由该地层中的n种矿物含量组成的n维列向量，C是转换矩阵，表示矿物含量到元素含量的响应矩阵，由地层中主要矿物的元素含量响应系数构成，即步骤(2)得到的转换矩阵；此数学模型为二次规划，采用积极集法或序列二次规划法求解；
(4)利用地层元素测井仪测量地层中的元素含量，将地层元素测井资料中的元素含量数据使用到步骤(3)的数学模型中，并使用二次规划的方法求解得到地层中对应的矿物含量；
(5)使用地层元素测井仪测量井段岩心的元素含量数据进行矿物含量的反演得到矿物含量，将矿物含量与岩心试验得到的矿物量进行对比分析，并完成矿物含量反演方法性能的评估。
进一步地，所述地层元素测井仪为基于同位素镅铍源的地层元素测井仪或使用中子发生器作为中子源的地层元素测井仪。
进一步地，所述步骤(1)中岩心的元素含量采用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得，矿物含量采用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得。
进一步地，步骤(2)中获得地层中主要矿物的元素含量响应系数具体方式为：通过矿物的化学式获得或通过在实验室测试大量的岩心样品后计算每种元素的响应参数。
进一步地，通过矿物的化学式获得矿物的元素含量响应系数具体为：采用矿物元素的分子量除以化学式的分子量，即得到矿物的元素含量响应系数。
进一步地，通过在实验室测试大量的岩心样品后计算每种元素的响应参数具体为：在岩石物理实验室中，使用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得岩心中的矿物含量，使用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得元素含量，某种矿物的元素含量响应系数就等于该矿物中该元素的含量与矿物含量的比值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的基于二次规划的计算地层矿物含量的方法，可以得到地层中石英、钾长石、钠长石、钙长石、方解石、白云石、白云母、黑云母、菱铁矿、黄铁矿，还有伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石等数十种造岩矿物的含量，该方法反演精度高，在复杂岩性和非常规储层勘探开发中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为地层元素测井仪器结构图，其中1、脉冲中子发生器，2、硼套，3、光电倍增管，4、中子屏蔽体，5、溴化镧晶体。
图2为地层元素测井矿物类型选择。
图3为地层元素测井矿物反演算法框图。
图4为使用二次规划算法获得的矿物含量与岩心分析矿物含量的比较，其中，(a)为石英，(b)为方解石，(c)为白云石，(d)为钾长石，(e)钙长石，(f)为钠长石，(g)为黄铁矿，(h)为伊利石，(i)为绿泥石。
图5为使用二次规划算法对宝×井矿物反演结果。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述：
本发明主要使用同位素镅铍源或者是中子发生器作为中子源的地层元素测井仪器测量的元素含量，通过元素含量信息计算相应地层中的矿物含量信息。
具体说明如下：
1、在地层元素测井仪测量井段进行取心作业获取岩心，然后在测井实验室进行测量分析确定地层中主要元素的种类和含量以及主要矿物的种类和含量。在测井实验中，岩心的元素含量常用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得，矿物含量常用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得。地层中的矿物有四五千种，但绝大多数不常见。常见的造岩元素只有20-30种，而主要的造岩矿物有石英、钾长石、钠长石、钙长石、方解石、白云石、白云母、黑云母、菱铁矿、黄铁矿，还有伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石和海绿石等粘土矿物。测井实验室测量的矿物主要是这数十种的造岩矿物。
2、获得地层中主要矿物的元素含量响应系数，将元素含量响应系数构成矿物含量反演中使用的转换矩阵。对于大多数的矿物，矿物的元素含量响应系数可以通过矿物的化学式计算得到。例如方解石的化学式为CaCo3，它的Ca元素的含量响应就等于Ca元素的原子量40除以CaCo3分子量100(40+12+16*3)，即为0.4。
对于某些元素含量在一定范围内变化的矿物，如伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石和海绿石等粘土矿物，这些矿物的元素含量响应系数是通过在实验室测试大量的岩心样品后得到的。在岩石物理实验室中，使用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得岩心中的矿物含量，使用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得元素含量。某种粘土矿物的元素含量响应系数就等于该矿物中该元素的含量与粘土矿物含量的比值。
3、建立关于地层元素测井矿物含量的数学模型，数学模型是如下的最优化目标函数：
其中，
式中，‖·‖表示向量的2-范数，表示地层中某位置处m种元素含量构成的m维列向量，/>是由该地层中的n种矿物含量组成的n维列向量，C是转换矩阵，表示矿物含量到元素含量的响应矩阵，由地层中主要矿物的元素含量响应系数构成，即步骤(2)得到的转换矩阵。此数学模型是二次规划，可以采用积极集法或序列二次规划法等最优化方法求解。
4、使用最优化算法求解上式所示的矿物含量反演模型，上面的最优化模型是一个带有约束条件的二次规划方法。具体：地层元素测井仪可以测量地层中的元素含量，将地层元素测井资料中的元素含量数据使用到上面的数学模型中，并使用二次规划的方法求解得到地层中对应的矿物含量。
5、使用该方法对岩心数据和实际测井资料进行处理，并对模型性能做出评价。具体：使用地层元素测井仪测量井段岩心的元素含量数据进行矿物含量的反演得到矿物含量，将这个矿物含量与岩心试验得到的矿物量进行对比分析，并完成矿物含量反演方法性能的评估。
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：
步骤1：以图1所示可控源地层元素测井仪为例，主要包括脉冲中子发生器、中子屏蔽体、硼套、溴化镧探测器等部分。仪器工作时，脉冲中子发生器产生能量为14MeV的中子，中子与仪器周围地层、井眼中物质的原子核作用发生非弹性散射、弹性散射、辐射俘获等核反应。在非弹性散射和辐射俘获反应中会产生具有特定能量的伽马。这些伽马被溴化镧探测器接收，然后通过能谱分析反演获得地层中的元素含量。
步骤2：使用可控源地层元素测井仪测量了中国四川盆地的页岩气井宝×井，并在测量井段取芯37块，通过X射线荧光(XRF)获得了元素含量，通过X射线衍射(XRD)全岩和粘土获得矿物含量。通过测试发现这些岩心所含的元素主要包括硅、钙、铁、硫、铝、镁、钾、钠8种元素，主要矿物成分为石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、蒙脱石、绿泥石、硬石膏。根据实验室测试结果选择石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、蒙脱石、绿泥石、硬石膏这10种矿物进行反演，如图2所示。
步骤3：获得地层中主要矿物的元素含量响应信息，这些信息将构成矿物含量反演是使用的转换矩阵。对于大多数的矿物，化学元素组分和含量可以通过矿物的化学式获得。对于某些元素含量在一定范围内变化的矿物，如粘土矿物，其化学元素含量通过在实验室测试大量的岩心样品后计算每种元素的响应参数。地层元素测井主要矿物的元素含量关系如表1所示。
表1地层元素测井主要矿物的元素含量响应关系
步骤4：建立地层元素测井矿物反演的数学模型，如图3所示，对矿物含量进行反演时，元素取硅、钙、铁、硫、铝、镁、钾、钠这8种元素，矿物取石英、钾长石、钙长石、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、蒙脱石、绿泥石这10种矿物，对上述模型分别使用序列二次规划法或有效集方法等算法进行了反演。
步骤5：对岩心数据进行矿物含量反演建模，并对模型的预测结果与实际结果进行对比，评价反演模型的性能。结果见图4。图4显示了使用二次规划反演获得的矿物含量(y轴)和矿物含量的理论值之间的关系(x轴)，每个交汇图标明了三个常用的统计量，分别是平均绝对偏差(aad)、均方根误差(rmse)、相关系数(cc)。将岩心实验室岩心测量值视做真实值，平均绝对偏差表示反演得到的矿物含量减去真实矿物含量的绝对值取平均值；均方根误差是反演得到的矿物含量减去真实含量的平方的平均值，然后取算术根，它是矿物含量反演精度的度量。相关系数反映了新算法反演获得的矿物含量和真实含量之间的线性相关关系。
由图4可知，使用序列二次规划法进行矿物含量反演时，在反演的10种矿物中，除了伊利石外，其他9种矿物均有很高的反演精度，它们的均方根误差均在2.4％之内，而且线性关系较好。分析原因是伊利石这种粘土矿物它们的成分不是固定的，不同地域之间伊利石之间的元素含量可能不同，这影响了伊利石的反演精度。
步骤6：使用二次规划法对实际测井资料进行处理。图5比较了通过使用序列二次规划法反演的矿物含量与实验室通过X衍射XRD分析得到的矿物含量。岩心分析数据与使用新方法得到的测井数据一致性很好。结果表明，该方法具有较高的处理精度，可用于实际井资料矿物含量的定量分析。
Claims (6)
1.一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，利用地层元素测井仪器测量井段的元素含量，通过元素含量信息计算相应地层中的矿物含量信息，具体包括以下步骤：
(1)在地层元素测井仪测量井段进行取心作业获取岩心，然后再进行测量分析确定地层中主要元素的种类和含量以及主要矿物的种类和含量；
(2)获得地层中主要矿物的元素含量响应系数，将元素含量响应系数构成矿物含量反演中使用的转换矩阵；
(3)建立关于地层元素测井矿物含量的数学模型，数学模型是如下的最优化目标函数：
其中，
式中，‖·‖表示向量的2-范数，表示地层中某位置处m种元素含量构成的m维列向量，是由该地层中的n种矿物含量组成的n维列向量，C是转换矩阵，表示矿物含量到元素含量的响应矩阵，由地层中主要矿物的元素含量响应系数构成，即步骤(2)得到的转换矩阵；此数学模型为二次规划，采用积极集法或序列二次规划法求解；
(4)利用地层元素测井仪测量地层中的元素含量，将地层元素测井资料中的元素含量数据使用到步骤(3)的数学模型中，并使用二次规划的方法求解得到地层中对应的矿物含量；
(5)使用地层元素测井仪测量井段岩心的元素含量数据进行矿物含量的反演得到矿物含量，将矿物含量与岩心试验得到的矿物量进行对比分析，并完成矿物含量反演方法性能的评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，所述地层元素测井仪为基于同位素镅铍源的地层元素测井仪或使用中子发生器作为中子源的地层元素测井仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，所述步骤(1)中岩心的元素含量采用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得，矿物含量采用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，步骤(2)中获得地层中主要矿物的元素含量响应系数具体方式为：通过矿物的化学式获得或通过在实验室测试大量的岩心样品后计算每种元素的响应参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，通过矿物的化学式获得矿物的元素含量响应系数具体为：采用矿物元素的分子量除以化学式的分子量，即得到矿物的元素含量响应系数。
6.根据权利要求4所述的一种基于二次规划计算地层矿物含量的方法，其特征在于，通过在实验室测试大量的岩心样品后计算每种元素的响应参数具体为：在岩石物理实验室中，使用X射线衍射法或者傅里叶变换红外光谱法获得岩心中的矿物含量，使用X射线荧光法或者电感耦合等离子体光谱法获得元素含量，某种矿物的元素含量响应系数就等于该矿物中该元素的含量与矿物含量的比值。
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