基于RBF核函数的油气化探异常圈闭评价.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8 年l 2 月第3 o 卷第6 期 J - u r n a l o f Oi l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I D e c ． 2 0 0 8 V o 1 ． 3 0 N o ． 6 基 于 R B F核 函数 的油气化探 异常圈闭评价 敖敏思 中国 地质大学 武汉 机械与电子 信息 学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 吴亦奇 中国 地质大学 武汉 计算 机学院。 湖北武汉4 3 0 0 7 4 徐忠祥 中国 地质大学 武汉 地球物理 与空 间信息学院， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 侯卫 匡 l 新星 石油 公司， 西北石油局 规划 设计研究院， 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 1 1 [ 摘要]油气化探异常圈闭评价在油气资源勘探中发挥着重要作用。作者提出基于 R B F 高斯径向基核函 数的油气化探异常圈闭评价法，应用于油气化探异常检测和评价，克服 了综合油气化探异常解释中化 探信息分散，异常信息层次不明显，尤其是多化探信息融合权值难以确定的问题。将该方法应用于塔北 雅克拉测 区的油 田综合化探异 常检测和分 析，结果表 明该方法具 有提取 的综合 油气 化探 信息 异常特 征明 显、层次分明，异常形态清晰，异常走向明晰等特点。 [ 关键词]油气异常圈闭I化探异常I高斯径向基核函数’异常检测；地球化学 [ 中图分类号]TE l 3 2 ． 1 4 ；T E l 9 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 8 0 6 0 1 7 6 0 5 据烃类垂 向运移理论口 ] ，油气藏中烃类物质成分在地温场、应力场等作用下，可以微渗漏方式垂 向运移至地表 ，形成地球化学异常。油气化探采集的数据，需要通过与该地区相适应的法则进行指标优 化、指标综合构置才能圈定异常区域。油气化探异常的提取是油气化探工作的核心部分 ，其通过提取化 探指标似源组构以及空问变异特征 ，评价圈闭的含油气性或油气聚集 的有利部位 ，为布置钻孔提供地球 化学依据 。 ． 4 - 。 核方法[ 5 核函数方法是一系列非线性数据处理技术 的总称 ，其共 同特征是都应用核函数进行 核映射 。核函数方法先采用非线性映射将数据由数据空间映射到特征空间，进而在特征空间进行对应的 线性操作。非线性映射的应用大大增强 了非线性数据处理能力。R B F [ 乳 高斯径 向基核函数是一种 典型核函数。传统的异常检测方法 如 “ 稳健的 r o b u s t ”估计[ 1 0 ] ，由于迭代过程效率不高，尤其无 法解决综合油气化探异常解释 中化探信息分散，异常信息层次不明显，多化探信息融合权值难以确定的 问题。笔者从智能模式识别的角度 出发 ，将油气化探异常检测视为一类特殊分类问题 ，将化探数据中遵 循大部分测点规律的测点作为正类 ，此外高于大部分测点规律的对象则被视为异常点 ，引入核函数方法 进行异常检测 ，对塔北雅克拉测区综合化探数据进行处理，得到良好 的油气异常圈闭图。 1 评价原理 从模式识别的角度出发，化探指标异常检测可以视为一类特殊分类问题。在化探综合指标中，同样 可以认为包括遵循大部分测点存在规律的正类测点和高出大部分测点规律的异常点[ 6 ] 。基于核方法的化 探异常检测方法是一种基于样本的分类方法 ，本质上是寻找包含全体正类化探数据样本的参考球体 ，球 体外即为异常区域。 对于正类化探数据样本集 E 。 ， X 。 ， ⋯， X ， 设将样本集中全体样本完全包围的最 小球体的半径为R， 球心为 口 ， 则将满足优化方程 N N N ma x L 口 f f X 一 el ia f ， X j 1 [ 收稿日期]2 0 0 8 一 O 7 2 0 [ 基金项目]国家自然科学基金项目 4 0 6 7 4 0 6 9 。 [ 作者简介]敖敏思 1 9 8 5 一 ，男。2 0 0 7 年大学毕业，硕士生。现主要从事信号处理与分析、模式识别研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷第 6期 敖敏思等 基于 RB F核函数的油气化探异常圈闭评价 式中， 、 为所选 取的化探正类样 本点 ， A 一 } 一 1 ， 2 ， ⋯， N ， 且 a ≥ 0为与样本 五所对 应的 L a g r a n g e 系数 ， X ， X ， 表示待测点 与正类样本点X 的内积 即距离 ； 同时 ， 优化方程式 1 满足 a ≥ N N 0 ， 以及 a 1 ， 口一 G tix 三个约束条件。 五 百 据 KKT条件[ 1 ， 优化方程 1 中以内大部分元素为 0 ， 仅小部分 a 0 与其对应 的样本决定了参考球 面的构成。 已知 A即可求出球心口， 任选一个支持对象 即其对应 L a g r a n g e系数 a 0 求 出半径 R。 在球 心 a及半 径 R 已知时 ， 经简 化 ， 化探 异常 点 的检测可 基于 以下两 式进 行 g 一 z 一2 ∑a X i 一 一 2 3 式 2 中， 为待检测化探数据点 ； X 为所选正类化探样本点 ； 表达式 g 即为待测点 2 7 与球心口之间的距 离 。 式 3 中， z 为任一支持对象 ； T为所选取的阈值 ； 即为待测点 z的异常程度 ， 即距参考球心与球 面的距离比值 。 R B F核函数具有形式简单 、 径向对称 、 任意阶导数均存在的优点 ， 其表达式如下 K 一 e x p 4 式 中， X与 分别为待测数据和样本 ； 为感知变量 ， 决定数据围绕径向中心 的宽度 。 以R B F核函数来替代 优化方程 1 、 化探异常检测表达式 2 和式 3 中的内积运算 ， 即能实现以非线性映射将数据由数据空间 映射到特征空间， 将参考球面映射为曲面。 由于 RB F x X一 1 的特性 ， 检测表达式 2 最终可简化为 N g z 一一 a i K X 5 f l 式中， K z X 即表示对待测化探数据 与正类样本z 进行 R B F核函数映射运算 。 基于 R B F核函数的化 探异常检测与评价 ， 即基于表达式 5 和式 3 进行。 2 油气地球化学异常圈闭提取及其评价 塔北雅克拉测区位于塔里木盆地北部 ，为塔北 8个主要测区之一 ，测量面积 2 0 0 k m。 ，共测点 8 1 3 个 ，分析指标包括国内外油气化探主要指标 2 0余种。该测区隶属于沙雅隆起 断凸，据钻井资料 ，燕山 一 喜马拉雅期，各种地质要素和作用完善，并构成圈闭单元 ，断凸处于满加尔古生界含油系统与库车中 生界含油系统的复合区，因此具备复式全闭油气藏形成条件 ，油气藏特征较为丰富。测区内地质构造主 要包括 Y2构造 、TK1与 TK2构造以及北部的大涝坝 1构造。该测区内 5线 2 5点位置处布有 S 4井 ， 该井即位于 Y2构造之上 ，已获取高产工业油气流。本文将结合该测 区实际情况 ，运用基于 R B F核 函 数的综合化探异常圈评价法对测区内化探异常进行提取与评价 。 2 ． 1 基 于 R B F核 函数 圈闭评价 算 法 基于 R B F核函数的综合化探异常圈闭检测主要归纳为 5个步骤 ，如图 1 所示 ①确定待测数据 以 及其属性指标 ，通过归一化形成待测归一化数据空间；② 由待测数据确定样本数据 ，形成样本数据空 间 ；③ 由样本数据通过求解优化方程形成判别曲面边界，即式 3 中的 g x 。 ； ④ 将待测数据以测点为单 位逐个与判定曲面进行比较， 得出其异常情况； ⑤ 根据异常情况形成圈闭， 并对圈闭进行评价。 1 油气化探属性空间的确定 以塔北雅克拉测 区综合化探数据为例进行基 于 RB F核函数异 常检 测。在该测区中选取对 油气异 常 圈闭较敏感 的后生碳 酸盐 A C 、甲烷 C 、乙烷 C z 、异丁烷 i C 、正丁烷 n C 、异戊烷 i C 。 、正戊烷 n C 以及重烃 C 8种含碳化探指标作 为计算指 标[ 1 引，分别除以各 自最大值进行归一化 ，形成经归一化的 8维属性油气化探信息数据空间，如表 1所 示 。以测区平面上的每个点为异常判定的基本单位、采用 R B F核 函数异常检测方法 ，得到测区面上每 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8 年 1 2月 一 个测点的异常情况及其程度 ，最 终 提取该测 区的异 常 圈闭 。 2 构 建 正 常数 据 样 本 空 间 的 多属性 油 气化探 信 息样 本 选取 方 法 判别边界曲面的实质是一个参考 边界曲面，其性质决定于样本数据 的选取 ，样本 数 据 的选 取 对 异 常情 况 的提取起 到关 键 作 用 。高 质 量 的 样本能形成高效率 、紧凑的判别边 界曲面，将正常点与异常点有效区 分开，提高异常区域的分辨率 。 高质量样本数据的选取基 于 3 个主要原则①非极大值点 ，极大 值点往往能体现异常的特征点而不 选取极大值点 ；②非 突变 区域 点 ， 即不选 取变 化率较 大 的 区域 中的 点 ；③ 样本 数 目适 中 ，过 少 样 本 形 成判定 曲面不紧凑 ，过多样本降低 算法效率。由以上 3个原则 ，将化 探数据总体分为高于一般化探指标 油 气 化 探 属 性 空 间 确 定 ， 归 一 化 数 据 卜 数 据 个 数N 选取油气化探信息样本构建正常样本空间 由样本空间构建异常信息判别边界曲 面I ． 葺 i 0 油气异常信息的提取 iN No , q u i t 油气化探异常信息圈闭提取及评价 图 1 基于 R B F核函数油气化探异常检测 流程图 的异常和低于 含等于一般化探指标两个类别。实际过程中，因正常样本点数 目远多于异常点，以上 3个原则并不难实现 。基于以上原则 ，文中一共随机选取 2 3个数据点作为样本 ，寻求最优分界面。 3 由样本空间构建油气化探异常信息判别边界 曲面 判别边界 曲面实际取决于样本空间和 R B F的 两个变量，由R B F的表达式可知， 感知变量 的取值对异常检测中核函数映射的效果起到关键作用 。 当 越小 ， R B F核函数值越小 ， 所包含的正类点越多， 异常点较少； 越大 ， R B F核 函数值越大 ， 所包含的异常 点越多， 正类点较少。 显然在异常圈闭提取 中， 合适的 盯 更能有效体现化探异常圈闭效果 ， 图 2为 取不同 值时得到综合化探异常圈闭效果图， 图中当 取 0 ． 5时， 异常点数 目较多， 异常区域分辨率不高； 取 0 ． 0 5 时 ， 显然异常点数 目过少， 无法形成有效异常圈闭。 实践过程中， 选取合适 的 应考虑以下因素 ① 化探数据属性空间大小 ， 选取化探属性指标越多 ， 也 应相应取较大值 ， 反之 ， 则取较小值 ； ② 化探数据属性指标值差异性 ， 差异越大 ， 也应相应取较大值 ， 反 之， 则取较小值。 合适的 的变化范围约在 0 ， 1 之间。 根据所选取样本数据 ， 将 R B F中 设为0 ． 1 ， 代人优化方程 1 可得 L a g r a n g e 系数以， 获得了 L a g r a n g e 系数 A。 即通过正常样本获得 了参考边界曲面。 4 油气化探异常信息提取将待测化探数据以单个测点为单位逐个代人式 5 以及式 3 ，可得 待测点相应异常情况值 z 。该测区中，所得到的 z 的范 围为 0 ，1 ． 3 2 7 7 之间，由此绘出该 测 区的异常 圈闭 图如 图 3所示 。 图 3 a 为稳健估计法所得异常圈闭图 ，图上显示整个测区极大异常值 出现于约 2线 5 O点位置。 该方法先对每个化探计算指标进行稳健估计 ，然后将指标异常程度 以其均值之间比例形成相应权重系数 对数据进行综合。最终指标中，大于 0为高于稳健估计值情况 ，小 于 0则为低于稳健估计值情况。显 然，基于R B F异常检测的综合数据非线性处理能力大大优于传统方法 图 3 b 已经过手工除去较 小范围的异常点，并圈出 4个较大异常区域 。 2 ． 2 油气化探异常信息圈闭评价 结合该测区油气地质资料分析 ，由图 3可看出，该测区形成了 5个异常区。 ①号异常所在异常区位于整个测区西南部。该异常区为轮 台断裂及其间一系列反 向倾斜的次级断裂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷第 6期 敖 敏思 等 基于 R B F核 函数 的油气化探异 常圈闭评 价 f a 1 O 5 图 2盯分别 取 0 。 5 、0 ． 3与 0 ． 0 5时异常圈闭图 a 稳健估计法求得异常圈闭图 ei ‘ O ￡ 囝々 。 ． f c 盯 O ． O 5 图 3塔北雅克拉测区稳健估计法和 R B F异常检测 法 所得 化探 异常圈闭图 0 ． 1 所控制的断凸构造 ，前震旦系向北东方向抬升 ，使构造整体向西南倾伏 。上古生界及三叠系被剥蚀，侏 罗系超覆其上，不同层尖灭带交替出现 ，断裂 ，裂隙及风化带发育 ，与上覆不整合面及粗碎屑岩形成有 利组合 。该区异常呈环状异常类型 ，异常幅度约在 5线 2 5测点处达到极大值 。 ②号异常所在异常区位于测区西北部 ，属于 TK1构造的西延部位 ，雅 2构造北部 ，异常区西沿未 封闭。该异常区由三个主要环状异常组成 ，异常状态 良好且集 中于较小面积内 ，中心位于 4线 5 5测点 范围。 。 ～ p 一 莎 一 一 ， 3 2 ， 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8年 1 2月 ③号异常所在异 常区位于测 区中南部及偏东部。结合地质条件 ，该区位 于 YKL构造东侧，称为 TK1 、2构造。T K1 构造分别受亚南和轮台断裂控制 ，使前震旦系急剧上抬 ，前中生界顶面上有两条相 向正断层。TK 2构造是 TK1构造 被雅 2断裂穿过其南盘上台 的部分，受轮 台断裂控制 ，形成断块残 丘 。该异常区由中南部部分小型封闭圈闭以及偏东环状圈闭组成 ，范围较大 。 ④、⑤号异常区位于整个测区的北部 ，亚南断裂北盘。根据该区地质条件 ，该区前震旦系受两条背 冲断裂控制，沿断块 向北东方 向抬升 ，白垩系直接超覆在前震旦系之上 。④ 、⑤号异常的北部边缘与大 涝坝构造有关 ，研究 区的北缘也未封闭，且异常 区域内呈现较有利环状异常。 ①号异常所在区由 3个主要环状异常圈闭组成 ，包含整个测 区异常区域最大幅度测点 5线 2 5点， 为测区的最优油气异常圈闭。事实上 ，该区域偏东部 的测点 S 4井已获得高产工业油气流。而以稳 健估计法所得圈闭图在该处未形成有利异常圈闭。②号异常所在区由 3个环状异常圈闭组成 ，异常幅度 较大 ，范围集 中，为仅次于①号异常所在区域的有利异常区。 总体说 ，该测区位于塔里木盆地北部 ，属断背构造圈闭油气藏。综合异常基本呈连续晕状分布 ，均 围绕有利区域显示为环状异常类型，已获得 的工业气流井也均在异常区域以内。 3 结 论 以基于 R B F核函数的油气地球化学异常圈闭评价法 ，对塔北雅克拉测 区进行综合化探数据进行异 常圈闭的提取与评价。结果表明，该方法在该测区提取的主要异常圈闭呈环状 ，基本符合测区内实际地 球化学异常情况 ，已获得的工业气流井均在异常圈闭以内。该方法对于化探信息分散 ，异常信息层次不 明显 ，多化探信息融合权值难 以确定综合油气化探异常圈闭的提取与评价 ，具有一定的适应性。 [ 参考文献] [ 1 ] 汤玉平 ，刘运黎 ．烃类垂向微运移的地球化学效应及其机理讨论[ J ]．石油实验地 质，2 0 0 2 ，2 4 5 t 4 3 1 4 3 6 ． [ 2 ]刘建 ，林小云 ，王甫贵 等 ．塔里木盆地北部坳陷区中生界石油地质特征 [ J ]．江汉石油 学院学报 2 0 0 1 ，2 3 S 1 t 4 ～7 ． [ 3 ]汤玉平，丁相玉，龚维琪 ．油气藏上置化探异常形态类型及其成因讨论 [ J ]．石油实验地质-1 9 9 8 ，2 0 1 ，7 6 7 9 ． [ 4 ]赵欣梅 ．遥感技术在烃类微 渗漏探 测中的应用 口]．石油天然气学报 ，2 0 0 5 ，2 7 3 ；4 6 5 4 6 6 ． [ 5 ]张学工 ．关于统计学习理论 与支持向量机 [ J ]．自动化学报 ，2 0 0 0 ，2 6 1 ；3 3 4 1 ． [ 6 ]肖健华 ．智能模式识别方法 [ M]．华南理工 大学 出版社 ，2 0 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