黏土矿物预测方程的建立及在东营油田的应用

蒋文博，丁晓军，郭华黏，许姗姗，黄 斌，李 信

（中国石油青海油田分公司勘探开发研究院，甘肃敦煌 736202）

除了用实验的手段实测矿物含量外，利用测井资料预测黏土、矿物的种类和含量已经越来越多地被应用到地质研究中。由于不同矿物元素含量的差异，程国华（2004）用地层元素测井资料确定储层黏土含量[1]。黏土矿物中伊利石含放射性元素，蒙脱石阳离子交换能力较强，比表面积大，对放射性矿物有很好的吸附性。此外，干酪根富集铀、钍、钾放射性元素，也能增加岩石矿物的放射性。鉴于黏土矿物的这些特性，孙建孟（1999）采用回归分析的方法，应用自然伽马能谱测井确定黏土矿物的类型和含量[2]。其它如中子、密度、声波时差测井数据也可以通过多元回归应用在确定黏土矿物含量上。前人在这一领域的研究应用为此次论文提供了理论依据和实践指导[3]。

1 数据选取与预测模型的建立

采用X′Pert PRO MPD X射线衍射仪对东营凹陷牛38井在深度2 815～3 309 m范围内40个点进行矿物成分测定，得到黏土矿物含量数据。选取的测井参数种类包括电阻 （RT）、自然伽马（GR）、自然伽马能谱（U、Th、K、CGR）、岩性密度（DEN）、声波时差（AC）。

研究一个因变量与多个自变量之间的关系在统计学上称为多元回归。回归关系的建立是按照一定的统计程序，经过多步拟合和检验，从一系列的可供建立回归模型的自变量中，逐步引入回归作用显著的自变量，并从回归模型中逐步剔除回归作用变得不再显著的自变量，以最终求得最优回归模型，这种方法被广泛地应用在各领域科学研究中[4-6]。

1.1 统一数据及单因素相关性分析

首先，将同深度的黏土矿物和测井数据统一起来，得出黏土矿物和测井数据深度上一一对应的数据表。测井参数有8类，这为选取合适种类的测井参数与元素含量进行拟合增加了难度，为此，应对测井参数和黏土矿物含量做简单的单因素相关性分析，筛选出对特定黏土矿物响应显著的测井参数，剔除相关性不够显著的自变量。

1.2 多元一次拟合

逐步增加测井参数种类，借助LINEST函数，选择与黏土矿物相关性显著的测井参数与黏土矿物进行多元拟合。拟合过程中，根据自变量数目在EXCEL表中选取返回参数的区间，一般选取M列（M为自变量数目）5行，调出函数，分别选择因变量取值区域和自变量取值区域，按住Ctrl+Shift+Enter键盘，在回归值区域内就会得到各项回归值，返回各自变量的系数，可得到多元一次方程式。

1.3 方程转换及优化

剔除返回值中Xm系数异常小、Xm标准误差较大所代表的自变量，进一步控制自变量的个数，优化回归方程。对自变量数值区域中的参数进行指数化、对数化、升幂、降幂等一系列转换，调用函数重新拟合，同时观察返回表格判定系数和Y估计值标准误差的变化。选择能使判定系数增加而Y估计值标准误差变小的自变量转换方式，使其对建立最优化方程式贡献最大。

1.4 显著性水平检验

对得出的多元方程式进行F显著性水平检验，验证方程式的有效性。比如确定 LINEST的置信水平α为 0.05，查表得出F0.05（自变量个数，自由度值）的大小，对比F统计值和它的大小。如果F统计值大于F0.05，说明自变量和因变量的相关关系达到显著水平，拟合得出的多元方程式有效。如果F统计小于F0.05，则拟合所得方程式无效。

经过上述4个步骤，建立了东营凹陷高岭石、伊利石、伊蒙混层和黏土矿物含量的方程式：

2 预测模型的应用

选择东营凹陷4个洼陷9口典型井进行计算，得到黏土矿物含量数据（表1，表2）。数据显示沙三下顶面和沙四上顶面黏土矿物总量基本上都未超过矿物总量的50%，沙三下顶面均值为48.9%,沙四上顶面均值为 39.7%。两个沉积界面黏土矿物的差异主要是受制于沉积环境的差异，东营凹陷沙四上段为水进体系域的间歇供水盐湖浅水湖型沉积，离岸距离较近，发育岩湖蒸发岩，属于半干旱、半闭塞的浅水环境，湖水淡化，碳酸盐岩含量明显增多，钙质矿物含量相对校多。沙三下段为快速供水半深湖-深湖的微咸水沉积，以深灰色、棕褐色泥岩和油页岩为主[7-11]，水体相对较深，离岸距离较远，沉积物经过长距离搬运，沉积颗粒较细，矿物中黏土矿物含量增加。

从黏土矿物组成看，伊利石和伊蒙混层是其主要组成部分（表1，表2），沙三下顶面伊利石含量均值为21.9%，伊蒙混层含量均值为72.5%；沙四上顶伊利石含量均值为 26.8%，伊蒙混层含量均值为60.7。两种黏土矿物“此消彼长”的现象反映了黏土矿物在地质剖面中随埋深增加，温度升高，蒙脱石经伊蒙混层向伊利石演化的地质特征（图1）。从黏土矿物随地质剖面变化情况看，沙三下-沙四上层段呈现伊蒙混层含量逐渐降低、伊利石含量逐渐升高的趋势（图2）。

表1 计算东营凹陷沙三下顶面黏土矿物含量组成

表2 计算东营凹陷沙四上顶面黏土矿物含量组成

图1 东营凹陷沙三下顶-沙四上顶预测黏土矿物分布

3 结论与认识

图2 东营凹陷沙三下-沙四上实测黏土矿物深度演化剖面

经过多元回归拟合，建立东营凹陷4个黏土矿物预测的方程式，判定系数在0.63～0.8之间，显著性水平检验显示方程式有效。计算本区域其它典型井的黏土矿物含量表明，东营凹陷沙三下顶面黏土矿物含量高于沙四上顶面黏土矿物含量，这一变化受制于两个层段水体环境的差异。黏土矿物中伊蒙混层和伊利石“此消彼长”的现象，反映了黏土矿物在成岩作用阶段的演化特征。用多元回归拟合的方法预测研究区域黏土矿物的种类和含量，与沉积环境的变化及成岩过程中矿物演化有比较好的一致性，说明这一方法在地质研究中良好的实践性和适用性。

[1] 程华国，袁祖贵，刘宁. 用地层元素测井资料确定储层黏土含量[J]. 石油大学学报（自然科学版），2004，28 （2）：28–30.

[2] 孙建孟，李召成. 应用自然伽马能谱测井确定黏土矿物类型和含量[J]. 石油大学学报（自然科学版），1999，23（4）：29–32.

[3] 邢培俊，孙建孟，王克文，等. 利用测井资料确定黏土矿物的方法对比[J]. 中国石油大学学报 （自然科学版），2008，32（2）：53–57.

[4] 周自玮. 利用 Excel内部函数 LINEST进行多元回归和多项式回归分析[J]. 草业与畜牧，2007，（8）：48–52.

[5] 鲁建文，张俊，田涛，等. 利用LINEST函数进行多元线性回归分析[J]. 农业网络信息，2005，（1）：57–58.

[6] 陈广义，吴继周，董德发，等. 模型系数的最小二乘法拟合[J]. 石油学报，1994，15（2）：161–165.

[7] 陈洁. 济阳坳陷第三系构造层序及其演化[J]. 地球物理学进展，2003，18（4）：700–706.

[8] 王世虎，夏斌，陈根文，等. 济阳坳陷构造特征及形成机制讨论[J]. 大地构造与成矿学，2004，28（4）：428–434．

[9] 王居峰. 济阳坳陷东营凹陷沙河街组沉积相[J]. 古地理学报，2005，7（1）：45–58.

[10] 王雪冰，顾岱鸿，周晓峰，等. 不同黏土矿物胶结的低渗透储层渗透率应力敏感性对比[J]. 石油地质与工程，2017，31（2）：97–100.

[11] 舒丽娟. 马 19块东营组剩余油分布控制因素[J]. 石油地质与工程，2014，28（3）：78–81.