基于机器学习的深层碳酸盐岩的测井相划分

来源：中科院地质地球所

随着大数据时代的到来，许多数据挖掘算法被广泛使用，它们的优势可概括为：（1）识别数据中的隐藏模式；（2）捕获复杂的非线性关系；（3）自动学习模型；（4）无需定义完整的输入和输出变量之间基于物理的数学关系。在勘探地球物理学中，由于岩石物理响应多解性，使得地球物理数据与地质分类之间存在复杂的非线性关系。例如深层碳酸盐岩缝洞型储层由于岩性多变、易发生的成岩作用和随机裂缝，导致存在很强的非均质性。此时，单一属性的地球物理数据难以实现对储层的准确识别，需要通过地质-地球物理结合的手段进行研究，机器学习方法是处理复杂数据问题的强大工具，是解决这类问题的钥匙。然而，岩性识别是一个典型的多元分类问题，但现在的大多数算法都是针对二元分类问题而开发的，且每种算法都存在固有的局限性，将多元分类转化为二元分类并非易事。

针对上述难题，中国科学院地质与地球物理研究所硕士研究生郑文浩、导师田飞高级工程师和底青云研究员等以塔河油田为例，利用深层碳酸盐岩缝洞型储层丰富的常规测井信息，结合岩心和电成像测井（FMI）资料，同时应用主成分分析（PCA）、K-means、线性判别分析（LDA）3种算法进行测井相综合预测。

方法如下：（1）首先是数据预处理，采用箱形图去除异常数据以及深度不匹配的数据，并进行了Z-score标准化处理；（2）然后通过PCA对测井参数降维，将7维数据转化成2个互相独立的变量，简化了数据结构（图1a、图1b）。然而，一次PCA处理后，各种测井相数据点之间仍存在大量重叠。为了进一步简化数据结构，他们将洞穴数据点和非洞穴数据点做二次PCA处理（图1c、图1d）；（3）对得到的数据集进行K-means聚类（图2），根据测井相的种类以及复杂程度选择合适的k值，并以岩心约束下的FMI图像确定测井相的标签，实现了地球物理数据的半定量解释与地质信息的定性解释相结合，从而建立了测井相-岩相数据库（图3），在测井相-岩相图版标定了每个测井相的区域范围；（4）最后为实现测井相的自动化定量预测，使用LDA算法获得了6种测井相的判别函数，将某一深度点测量的测井信息代入上述的判别函数，函数值最大者作为该点的测井相类型归属（图4）。该测井相预测模型的正确率达到了92%，并能够快速获得测井相预测结果，对于提高勘探效率、节约勘探成本具有重要意义。 

图1 PC1-PC2交会图。（a）PC1-PC2交会图中的初始数据点；（b）在PC1-PC2相交图中，基于FMI图像的粗略识别，数据点可分为两类：非洞穴数据点和洞穴数据点。非洞穴数据点的线性相关线的系数为-0.697，洞穴数据点的线性相关线的系数为1.874；（c）在PC1（非洞穴）-PC2（非洞穴）交会图中，非洞穴数据点的线性相关线斜率为0；（d）在PC1（洞穴）-PC2（洞穴）交会图中，洞穴数据点的线性相关线斜率为0

图2 数据经过K-means处理，通过FMI图像进行标定每类数据点的测井相。（a）K-means将非洞穴数据划分为16类；（b）K-means将洞穴数据点划分为8类；（c）第14类非洞穴数据点标定为裂缝相；（d）第37类洞穴数据点标定为洞穴（未充填）相

图3 测井相-岩相图版。（a）非洞穴数据点的测井相-岩相图版；（b）洞穴数据点的测井相-岩相图版

图4 应用测井相预测模型预测S75井的测井相，通过FMI图像验证预测结果

该研究的底层逻辑是用地质信息约束多属性的地球物理响应，并通过机器学习算法对多参数的地球物理数据进行数据挖掘，以实现利用地球物理数据自动预测地质信息的效果。目前项目组也正在探索一条地质-地球物理-数据分析相结合的综合解决方案。