层次分析和特征值分析相结合的物化探综合油气评价
王珺璐1, 贺永红2, 王萌3, 冯兵4, 林品荣1, 曹金舟5, 闫新智5
1. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
2. 延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西 西安 710074
3. 中国国土资源航空物探遥感中心, 北京 100083
4. 长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054
5. 陕西延长石油(集团)有限责任公司,陕西 西安 710075

作者简介: 王珺璐(1988-),男,硕士,助理工程师,主要从事电磁法数值模拟与方法应用研究工作。E-mail:wangjunlu2007@126.com

摘要

非震物化探油气勘探方法已成为特殊景观下油气勘探的重要组成部分。非震物化探油气勘探的方法较多,单一物化探指标往往不能满足高精度的勘探要求,多种方法综合分析确定油气有利区,可降低油气勘探成本与勘探风险,提高工作效率。本文研究了层次分析法与特征值分析法相结合的物化探综合油气评价方法。该方法在参考处理人员经验的基础上,结合不同指标异常之间的相关性,计算得到物化探指标信息与油气藏的综合关联度,进而圈定油气异常区。对鄂尔多斯盆地内某油气区的应用研究表明,该方法圈定的综合油气异常区与已知钻孔控制的油气有利区对应关系良好。该研究对非震物化探油气勘探方法的资料综合分析与解释具有借鉴意义。

关键词: 非震物化探; 层次分析法; 特征分析法; 油气关联度系数; 综合油气评价
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0762-06
The comprehensive evaluation of oil and gas exploration combining hierarchy analysis and eigenvalue analysis
WANG Jun-Lu1, HE Yong-Hong2, WANG Meng3, FENG Bing4, LIN Pin-Rong1, CAO Jin-Zhou5, YAN Xin-Zhi5
1.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China
2.Research Insititute of Yanchang Petrpleum(group),Xi'an 710054,China
3.China Aero Geophysics Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083,China
4.School of Earth Sciences and Resource,Chang'an University,Xi'an 710054,China
5.Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co.,Ltd.,Xi'an 710075,China
Abstract

Generally,one single non-seismic geophysical and geochemical method can not meet the requirements of oil exploration,and hence we need to use a variety of methods to carry out the comprehensive analysis and determine the favorable areas of oil and gas.In this paper,the authors studied the comprehensive evaluation of oil and gas exploration that combined the hierarchy analysis and the eigenvalue analysis.The application in the Erdos Basin oil and gas zone shows that the oil and gas anomaly areas delineated by this method has a good corresponding relationship with the known oil and gas enrichment areas controlled by drilling.

Keyword: non-seismic geophysical and geochemical exploration; analytic hierarchy process; characteristic analysis method; correlation coefficient of oil and gas; comprehensive evaluation of oil and gas

鄂尔多斯盆地是我国第二大含油气盆地, 盆地的演化时间长, 沉积厚度大, 油气资源非常丰富。但是, 鄂尔多斯盆地的地层倾角较小, 表层黄土覆盖较厚, 地表沟壑纵横, 常规的地震勘探技术在盆地内受到了很大限制。非震物化探找油技术效率高、投入少、见效快, 成为地震勘探的有力补充和替代, 并且取得了明显效果 12

非震物化探找油方法是除地球物理勘探中地震勘探以外的所有物化探找油方法的总称, 可分为地球物理方法和地球化学方法两大类。其中地球物理方法主要包括重力、磁法、自然电位法、电阻率法、激发极化法、放射性等; 地球化学方法包括烃类检测方法(酸解烃、热释烃、蚀变碳酸盐、紫外荧光)、微量元素、氧化还原指标、测汞、电导率指标等 314。非震物化探找油的方法较多, 探测机理不尽相同; 受油气藏的地质、地理条件与观测、分析精度等因素的影响, 各指标与油气藏对应关系复杂, 因此单一物化探方法往往不能满足勘探要求, 多种方法综合分析确定油气有利区, 可降低油气勘探成本与勘探风险, 提高工作效率 1518

油气物化探综合异常评价就是基于各种油气指标的属性, 结合各指标异常之间的相互关系, 采用某种方式对综合异常作出含油气性评价。单指标定性评价是一种最直接的综合评价方法, 但是该方法更多的借助于解释人员的经验, 缺少对各指标间信息关联性的研究[17]; 汤玉平采用计算协方差、相关系和熵值的方法, 研究化探指标的组合特征值, 评价异常油气属性, 圈定油气远景区 1920; 另外, 模糊综合评价方法也在实践中得到了应用, 并取得了一定的效果 2123

笔者研究了层次分析法与特征值分析法相结合的物化探综合油气评价方法, 对鄂尔多斯盆地某油气区的应用研究表明, 该方法圈定的综合油气异常区与已知的油气有利区对应关系较好, 对非震物化探找油资料的综合解释具有借鉴意义。

1 物化探油气指标

非震物化探找油的理论基础是烃类的微渗逸效应, 形成这种微渗逸效应的原因很复杂[6], 目前虽尚无权威定论, 但是这种微渗逸是客观存在的, 形成的物化效应是可以采用物探及化探手段进行探测的。

微渗逸形成的地球物理效应包含了:①微渗逸造成油气藏上方生成磁性矿物, 在地表会形成高频弱磁异常; ②微渗逸过程中生成的黄铁矿及方解石沉积一般为高极化率特征, 并形成电阻率异常; ③烃类的存在具有还原性质, 在油气田上方形成氧化还原电位的负异常; ④油气藏上方粘土矿物的蚀变分解加大了SiO2及Al2O3的浓度, 形成放射性物质的阻挡式吸附层, 导致油气田中心低值而边缘为放射性高值的环状异常; ⑤饱和油气储集层与其围岩之间的密度差形成油气田上方的重力负异常[6]

微渗逸形成的地球化学效应包含了:①油气藏中烃类迁移至地表附近, 导致酸解烃、吸附烃等指标升高, 环芳烃荧光光谱具有320 nm、365 nm特征峰; ②烃类气体在地表附近受到氧化, 与土壤物质形成的某种碳酸盐, 造成蚀变碳酸盐含量升高; ③生油岩、石油天然气及伴生的油田水是富汞地质体, 气态汞穿透力强, 受构造影响较大, 可在地表观测汞, 达到间接找油的目的; ④微量元素及土壤电导率均与烃类的微渗逸有关, 且关系复杂 811

笔者根据在鄂尔多斯盆地分布的多个油气区的研究结果可知, 油气化探异常与放射性异常一般为环状、半环状异常; 物探异常多为顶部异常, 高精度磁测出现高频振荡的弱磁异常, 对其求解析信号后也变为高值顶部异常(图1)。

图1 地球物理— 地球化学异常模式[22]

2 综合评价理论

油气物化探异常的成因学说比较多, 探测的指标亦较多。但是, 从以上各类勘探指标(方法)的基本原理以及探测目标可以看出, 不管哪种方法, 其实质问题都是要直接或间接地检测碳氢化合物在地表及地下的赋存与活动的规律。尽管所采用的方法不同, 表现形式各异, 但异常源是一致的, 形成异常的机理亦相同。因此, 利用多种物化探方法进行探测, 并进行多参数综合分析, 最终圈定油气有利区是可行的 1519

但是, 物化探方法所采用的很多指标其地表异常不仅只是油气成因, 甚至一个参数可以有多种成因。如烃类既可以由地下富集烃类向上微运移形成, 又可以是异地搬运而成; 甲烷既可以是深部热成因所引起, 又可以在近地表由微生物分解有机质生成; 自然电位异常可以是烃类向上微运移改变地表原有的氧化— 还原状态产生, 也可以是区域构造变化、地下潜水位升高、山地过滤电场、工业游散电流干扰等因素形成; 磁异常可以是地下深部烃类向上渗漏使上覆岩层蚀变产生的磁性物质引起, 也可能是地表磁性矿物局部不均匀或深部磁性基底局部隆起等因素引起。

因此, 只有正确识别各参数之间的内在规律, 综合分析各参数之间的相关性, 并结合处理解释人员的先验经验, 才能使综合物化探勘查工作得出的结论能真正反映出地下烃类的富集状况及分布特征, 进而指导油气的勘探与开发。

3 模型建立

非震物化探综合异常评价应考虑各指标之间的相对重要程度, 同时要考虑各指标异常之间的相关性 2122。据此, 采用层次分析法与特征分析法相结合的综合评价方法对含油气性进行评价。层次分析法是处理人员结合测区已知地质资料、数据采集质量、处理解释情况及以往工作经验, 确定单个指标反映油气藏的重要性顺序, 不同指标可以对应不同的权值系数。特征分析法通过分析不同指标异常之间的相关性, 给出不同指标对应含油气有利区的相关系数。综合以上两种方法, 可以最终确定该测区内某地区多参数与油气藏的综合相关度。

3.1 层次分析法

层次分析法将问题分解成各组成因素, 把这些因素按支配关系组成递阶层次结构, 经两两对比, 确定层次中诸因素的相对重要性, 求解判断矩阵的特征向量从而确定各因素(指标)的相对权系数。层次分析法分析问题的数学模型为

其中:H为层次分析法评价结果值, kj为第j个指标的权系数, hi为第j个指标的属性值, m为指标的个数, j为指标的序数。

权重系数可由如下方法确定:

(1) 建立三标度比较矩阵A为[aij]m× m, (i, jM), M=(1, 2, …, m), 其中标度aij

aij=2, ij重要, 1, ij同等重要, 0, i不如j重要。2

(2) 计算指标i的重要性程度排序指数

(3) 最小重要性排序指数为rmin, 构造间接判断矩阵B, 矩阵元素

bij=(ri-rj)/rmin+1, rirj(rj-ri)/rmin+1]-1, ri< rj(i, jM); (4)

(4) 计算反对称矩阵C=[cij]m× m, 其中

cij=lgbij, (i, jM); (5)

(5) 最优传递矩阵D=[dij]m× m, 其中

(6) 计算拟优一致阵B* =( bij* )m× m, 其中 bij* =1 0dij, (i, jM);

(7) 最后进行权重归一化

3.2 特征值分析法

特征分析法是一种对定性描述资料的多元统计分析方法。通过对已知模型区内各指标之间相互关系的定量分析, 来确定每个指标的权重, 查明指标之间的内在联系, 确定各个指标特征的成油和找油意义[22]。特征值分析法的数学模型为

其中:bj为第j个指标的权系数; zi, j为第i样品对第j指标的属性值; yi为指标联系度, 反映该指标与一组已知有油气样品的联系程度。一般认为, 某指标与已知模型样品联系程度越高, 成油有利度越大。

要进行特征分析解释, 首先必须进行单元的划分和变量的提取与赋值。针对非地震物化探用于确定探井具体位置这一前提, 网格距一般选择与生产井井距(250~500 m)相当为宜。定性变量采用三态变量取值方法, 对于顶部异常模式, 高值区为有利区, 赋值1; 低值区为不利区, 赋值-1; 不确定区赋值0。对于环状异常模式, 环内为有利区, 赋值1; 环上或环外为不利区, 赋值-1; 不确定区赋值0。

设有一批观测数据, 有m个指标, n个观测单元, 将原始数据转变成三态逻辑变量(1, 0, -1)得数据矩阵

Z=z1, 1z1, 2z1, mz2, 1z2, 2z2, mzn, 1z2, 2zn, m9

确定变量权系数的方法包括平方和法、乘积矩阵主分量法。文中采用乘积矩阵主分量法求取权系数, 方法如下:

(1) 求乘积矩Rm× n=Z'Z;

(2) 求各指标的权系数。

R矩阵的行表现了某个指标与其他指标的密切程度。各特征向量的各分量作为变量权系数。采用雅可比法, 求对应于乘积矩阵R的最大特征值 λ12及其对应的特征向量b1j, 则其各元素即为各指标的权系数。

3.3 综合评价模型

层次分析法反映单个指标对应油气藏的重要性; 特征分析法反映单个指标异常相对于总体指标的关联度。通过组合以上两种方法得到物化探指标与油气藏的综合关联度

其中:S为物化探指标与油气藏综合关联度, kj为第j个指标的层次分析法权重系数, bj为第j个指标的特征分析法权重系数, hi, j为第j个指标第i个样品的取值。

4 实例分析

研究区位于鄂尔多斯盆地中北部, 该区物化探指标包括:自然电位、高精度磁测、放射性能谱(铀、钍、钾、总道)、放射性测氡、酸解烃、吸附烃、蚀变碳酸盐、紫外荧光、微量元素以及氧化还原指数。采用本文方法, 对上述10种物化探方法的16种评价指标异常进行综合评价。

采用层次分析法进行评价时, 需先根据经验确定各指标的相对重要性。根据笔者在鄂尔多斯盆地内多个油气区的研究, 对鄂尔多斯盆地中物化探指标反映油气藏重要性分为四类(表1)。

采用层次— 特征值分析法, 求得物化探各个指标的权系数, 如表2所示。表中权系数1代表单指标对油气藏反映权重; 权系数2代表单指标相对其他指标的异常关联度权重。

表1 物化探指标反映油气藏重要性分类
表2 鄂尔多斯盆地某油气区物化探指标权系数

综合两个权系数, 最后得到物化探综合异常与油气藏关联度, 关联度越高, 油气显示越好。以关联度的均值加上0.5倍标准差为异常下限, 圈出3个Ⅰ 类油气异常区; 以关联度的均值减去0.5倍标准差为异常下限, 圈出3个Ⅱ 类油气异常区(图2)。

图2 综合物化探异常与综合油气有利区套合

将综合物化探异常区与该区钻孔控制油气有利区进行对比分析, 发现Ⅰ 类异常区多位于长2~长6综合油气圈闭有利区内, 异常区形态与综合有利区形态相似, 且区内油井分布较多。其中, 异常Ⅰ -1、Ⅰ -2、Ⅰ -3号异常分别与综合油气圈闭有利区吻重合面积占异常面积的96.7%、94.1%、100%。

Ⅱ 类异常区多位于长2~长6综合油气圈闭有利区边部。其中, Ⅱ -1异常区内井分布较多, 异常区与综合有利区形态一致, 与综合油气圈闭有利区重合面积占异常面积的84.2%。Ⅱ -2号异常与Ⅱ -3号异常分别与综合油气圈闭有利区重合面积占异常面积的20.6%、23.1%。

因此, 采用层次— 特征值分析方法圈定的物化探综合油气异常区与已知钻孔控制的油气有利区对应关系良好, 可以为油气勘探后续工作的开展提供有利信息。

5 结论

非震物化探异常综合评价应考虑指标之间的重要性, 同时要考虑各指标异常之间的相关性。文中提出了采用层次分析法与特征值分析法相结合的异常综合评价方法。层次分析法反映了单个指标对应油气藏的重要性; 特征分析法反映了单个指标异常相对于总体指标异常的相关性。采用层次分析与特征分析相结合的物化探综合油气评价方法对含油气性进行评价, 既参考了处理人员对测区地质资料、采集与处理情况以及以往工作经验, 又结合了不同指标异常之间的相关性。

对鄂尔多斯盆地某油气区的应用研究表明, 该方法圈定的综合油气异常区与已知钻孔控制的油气有利区对应关系良好, 对非震物化探找油的资料综合分析解释具有借鉴意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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