琼东南盆地深水区中央峡谷油气 指标的多重分形性分析.pdf

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第38卷第5期海洋学报Vo.l38,No.52016年5月HaiyangXuebaoMay2016张焱,张迎朝,杨希冰,等.琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标的多重分形性分析[J].海洋学报,2016,38(5):133—140,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.012ZhangYan,ZhangYingzhao,YangXibing,etal.MultifractalpropertiesofoilandgasindexesincentralcanyonofQiongdongnanBa-sindeepwaterarea[J].HaiyangXuebao,2016,38(5):133—140,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.012琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标的多重分形性分析张焱1,张迎朝1,杨希冰1,周永章2,3,周杰1,朱继田1(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057;2.中山大学地球科学与地质工程学院,广东广州510275;3.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室,广东广州510275)摘要:不同形态的多重分形频谱可用于含油气远景评价和油气分布规律的研究,本文运用多重分形矩方法对中央峡谷体系已钻井获得的2684个数据13项油气指标的多重分形谱函数形态特征进行了研究。结果表明,琼东南盆地深水区中具有较强多重分形特征的指标,具有多重分形谱函数宽而连续的特征,成一右偏弧形状;而其他指标则显示较弱或单一分形特征。将这一结果与常用的统计方法因子分析结果做对比,结果表明,通过多重分形分析对这几项油气指标的分组结果与常规的统计分析结果基本吻合。为更进一步探究这几种主要油气指标在油气指示中的权重,采用主成分分析法对这几种指标进行分析,结果表明在琼东南盆地深水区,异丁烷、正丁烷、异戊烷为圈定油气远景区的重要指标。关键词:琼东南盆地;中央峡谷;多重分形;油气指标中图分类号:P618.13文献标志码:A文章编号:0253-4193(2016)05-0133-08拟的结果表明微量元素的背景值通常服从正态或对1引言[6]数正态分布,而异常值服从分形分布,至今这一结分形用于描述不规则事物形态特征已在地学界论有效的支撑着地质工作者工作。得到了广泛的应用。而分形维数是反映其结构特征尽管越来越多的证据表明元素含量服从分形或复杂程度一个很重要的参数,根据维数值可以定量的多重分形分布,但目前大多数研究仅限于金属元素,描述事物的复杂程度。单一分形具有唯一的分维数而在油气地质领域中较少出现。琼东南盆地深水区值,且标度是不变的;单个分维不足以描述自然界特中央峡谷领域,随着勘探的逐步深入,对其研究也进征,通常需要多个分形维数来描述,也即多重分形。[7]一步加深,而纵观多年的研究内容无外乎两方面:实际上,多重分形也就是许多个单一分形的相互缠一是储层有关峡谷内部充填结构方面,另一方面是沉结[1]。近年来,多重分形在固体矿产中应用甚广,如[8—9]积研究中有关峡谷形态沉积旋回划分;对于油气地球化学、地球物理找矿方面,且取得了较显著的成指示研究方面琼东南盆地深水区中央峡谷还从未涉[2—5]效,尤其在描述矿化富集规律时,多重分形模型及。鉴于此,本文运用典型的多重分形方法对琼东南起到了举足轻重的作用。通过计算机技术等手段模盆地深水区黄流组气样中12项油气指标的多重分形收稿日期:2015-10-29;修订日期:2016-03-14。基金项目:“十二五”国家重大科技专项(2011ZX05025)。作者简介:张焱(1983—),女,湖北省孝感市人,博士,主要从事石油地质、数学地质综合研究。E-mail:zhangyan1117@163.com 134海洋学报38卷谱函数形态特征进行研究。东凹陷、陵水凹陷、松涛凹陷、宝岛凹陷、长昌凹陷,向[10—11]东延伸进入西沙海槽。本研究中的数据来源于2数据和方法峡谷体系钻井获得的气测数据,包括甲烷、乙烷、丙2·1数据来源与分析烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷这几个参数,都是研究区位于琼东南盆地深水区中央峡谷领域,中用氢火焰离子探测器色谱仪测量钻井液中各个烃类央峡谷体系位于深水区中央坳陷带,整体呈“S”型NE组分含量的大小得到的。向展布(图1),西起莺歌海盆地中央凹陷带东缘,经乐图1研究区位置图Fig.1Thepositionofthestudyarea文中使用的指标及其指示意义见表1,其中A1=为单一分形的相互缠结,它所描述的是定义在二维或(C1+C2)/(C3+C4+C5)为平衡比,A2=(C4+C5)/三维中的一种度量,若这种度量具有空间或统计上的C3为特征比,A3=iC5/nC5为微运移指数,A4=C2自相似性,则将这种量称之为多重分形。具有多重分+C3+C4+C5为重烃,A5=C1/(C2+C3+C4+C5)形性质的数据的奇异性可以将所定义区域分解成一为轻烃与重烃比,A6为干燥比。系列单一分形这样的子区域。这些子区域不仅具有分形维数,还具有各自度量的奇异性,所有这些子区表1油气指标及其含义Tab·1Definitionofsymbolsusedinthepaper域的分形维数和奇异性组成维数谱函数f(α)。指标含义指标含义计算多重分形谱函数最常见的方法为直方图[12]法,类似的还有小波方法、乘数法和矩方法等,而C1甲烷A1平衡比[13]矩方法是最常用的方法之一。C2乙烷A2特征比[14]矩方法计算f(α)的步骤为:C3丙烷A3微运移指数(1)首先构建分配函数Xq(ε)=∑(x2)q,双nC4正丁烷A4重烃n(ε)iεi对数图上将质量分配函数Xq(ε)与网格大小ε表现出iC4异丁烷A5轻烃与重烃比来。其中q为任意数,对应u(ε)的统计矩阶数,x2nC5正戊烷A6干燥比iε表示第i个长度为ε的单元金属总量,x为第i个单iC5异戊烷i元的品味值。此处以研究区指标特征比的分析结果2·2多重分形方法为例。文中q值从—10到10(—10,—9,—8,…,0,多重分形是单一分形的推广,推广至空间上通常…,9,10),步长为1,从图2得知分配函数与步长呈较 5期张焱等:琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标的多重分形性分析135好的线性关系,q值变化,直线的斜率相应的改变,图次q之间的关系图;图2d为多重分形谱函数f(α)与中的线条表示q值为—10,—9,…,0,…,10对应的奇异指数α(q)的关系图)可有效的判断所研究对象是线条。单一分形还是多重分形;如果矩级次q与质量指数(2)质量指数τ(q)的计算方法根据质量分配函数τ(q)为线性关系,则分析对象为单一分形;如果q与而定,若u(ε)具有多重性,那么对于任意q值,存在τ(q)之间为一曲线关系,则分析对象为多重分形,并τ(q)这种指数关系,可根据图2中τ与q之间且其之间的曲率可以通过[τ(q)—τ(1)]/(q—1)计算Xq(ε)∝ε的斜率来计算质量指数。得知。另外,如若τ(q)与q为线性关系,则奇异指数(3)奇异指数α(q)的计算公式为:α(q)=τ(q)/α(q)应基本保持定值在q—α图中表现为一条平行qq。值的直线,而分形维数f(α)与α的关系表现为倒尖钩(4)计算分形维数f(α):f(α)=α(q)q—τ(q)。状。若研究对象为多重分形,奇异指数α(q)与矩级次由图2(图2a为分配函数Xq(ε)与度量尺度ε在q应为曲线关系,通常奇异指数α(q)的波动范围相对双对数坐标图上的关系,图2b为质量指数τ(q)与矩变大。级次q之间的关系图;图2c为奇异指数α(q)与矩级图2矩方法计算琼东南盆地深水区中央峡谷黄流组特征比[(C4+C5)/C3]指标多重分形谱函数步骤Fig.2Thestepsofthemethodofmomentstoanalyzethemultifractalspectrumof[(C4+C5)/C3]incentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea的曲率较小,近似为一条直线;奇异指数α与矩级次q3分析与讨论之间为一曲线,其多重分形谱宽且连续,这说明C1指3·1矩方法分析标在峡谷体系中的空间分布显示连续多重分形特征。首先采用矩方法计算各指标的多重分形谱函数,相对于C1来说,C2的f(α)—α曲线中f(α)最小取q值从—10到10,步长为1。图2—图5分别给出值接近1.2(图4),而C1的f(α)最小值趋于1,曲线了琼东南盆地深水区中央峡谷内几种油气地球化学形态上有所变化,另外,相对于C1来说C2中奇异指指标的矩方法分析结果。从图3得知,对于中央峡谷数α与q之间的拖尾似乎比C1的更为明显。体系的C1,其分配函数与尺度长度之间的双对数函从图2得知,尽管特征比的质量指数τ(q)与q间数呈较好的线性关系;质量指数τ(q)与矩级次q之间的曲率较小近似一条直线,而α(q)与矩级次q之间的 136海洋学报38卷图3琼东南盆地深水区中央峡谷C1指标的多重分形谱函数形态特征Fig.3MultifractalanalysisofC1incentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea图4琼东南盆地深水区中央峡谷C2指标的多重分形谱函数形态特征Fig.4MultifractalanalysisofC2incentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea曲线形态也不明显,由此看来特征比在该工区近似表一个定值。现为单一分形特征。对研究区12项指标研究发现,根据多重分形谱对于干燥系数指标来说,分配函数和尺度在双对的形态特征(文中给出具有代表性的部分指标图件)数图上表现出较好的线性关系,质量指数τ(q)与矩级及各参数(表2),大致可以将研究区油气指标分为3次q之间也也具有良好的线性关系,以致奇异指数α大类。与q表现为一条水平直线,其分形谱函数近似表现为(1)C1、C2、C3、nC4、iC4、nC5、iC5和重烃为一类, 5期张焱等:琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标的多重分形性分析137图5琼东南盆地深水区中央峡谷干燥系数[C1/(C1+C2+C3+C4+C5)]指标的多重分形谱函数形态特征Fig.5Multifractalanalysisof[C1/(C1+C2+C3+C4+C5)]incentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea其多重分形谱函数宽而连续Δα和Δf(α)值均较大,燥系数指标指标还可从这一类中单独分离出来,因为[τ(q)—τ(1)]/(q—1)值的变化较大,显示较强的多重其Δα趋于0,[τ(q)—τ(1)]/(q—1)值更趋于2,体现分形特征。了微弱的多重分形特征。(2)轻烃与重烃比、干燥系数和平衡比为第二类,(3)微运移和特征比为第三类。这一组Δα和这三项指标的Δα和Δf(α)大约为0.3~0.5之间,Δf(α)值均较小,[τ(q)—τ(1)]/(q—1)的波动范围也[τ(q)—τ(1)]/(q—1)的波动范围在2.1左右,体现了小,显示近似单一分形特征。较弱的多重分形特征;而另外更进一步分析发现,干表2琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标多重分形分析参数一览表Tab·2SomeparametersofindicesfromoilsamplesincentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea[τ(q)—τ(1)]/(q—1)指标ΔαΔf(α)q=—10q=—5q=5q=10甲烷0.8163—0.78292.43592.31491.84441.8197乙烷0.8355—0.39432.55922.45391.89271.8786丙烷0.7101—0.81132.55942.45931.94291.9628异丁烷0.5856—0.66442.48642.40821.95161.9763异戊烷0.4416—0.75602.33012.25381.95071.9697正丁烷0.4465—0.46392.37442.32101.95091.9751干燥比0.0033—0.00082.00102.00051.99951.9991平衡比0.46420.44462.11142.07931.80861.7499轻烃与重烃比0.28400.27972.06792.04451.91241.8686特征比0.32360.85662.03642.02691.88921.8075微运移指数0.10910.29422.00562.00791.92111.9104重烃0.7197—0.46492.51952.42861.91991.9215 138海洋学报38卷3·2油气指标相关性分析特征值最大,约占方差的67%。第一主成分反映了湛江分公司在探讨油气指标之间的相关性时,通所有这几种具有多重分形特征的指标,贡献最大的为常是采用因子分析法进行分析,根据琼东南盆地深水iC4、nC4、iC5,这说明在琼东南盆地深水区,iC4、nC4、区中央峡谷黄流组油气指标因子成分图6得知油气iC5为圈定油气远景区的重要指标。指标在该区的相关关系,因子分析结果将这些指标分为三组,第一组为由多重分形得到的具有较强多重分形特征的8项指标C1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5、重烃组合,第二组为轻烃与重烃比、平衡比和干燥系数组合,第三组为特征比和微运移指数组合。从分析结果可以看出,该区通过多重分形分析和常规的统计分析对这几项油气指标的分组结果基本吻合。图7对主要油气指标进行主成分分析后累积方差图Fig.7Cumulativevarianceforprincipalcomponentanalysisofthemainoilandgasindex图6琼东南盆地深水区中央峡谷黄流组油气指标因子成分图Fig.6OilandgasindexfactorcompositiondiagramforHuangliuformationincentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea图8对各指标C1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5对数变换值[14]已有研究表明,C2和C3是圈定油气远景区进行主成分分析结果的主要指标,而C1则为圈定远景区的重要补充;而针Fig.8Principalcomponentanalysisresultsoflogtrans-对琼东南盆地深水区,从上述分析得知,深水区主要formedvaluesofC1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5油气指标如C1、C2、C3、iC4、nC4、iC5、nC5等服从较强的多重分形性质,而其他指标则服从弱的多重分形4结论性质甚至是单一分形,这一点与金属场的研究结果也[15]较为吻合,这说明深水区主要油气指标也服从多(1)分形与多重分形性质可能存在于油气指标[16]重分形分布。中,而矩方法可以较好的指示油气指标效果;为更进一步探究这几种指标在油气指示中的权(2)琼东南盆地深水区中具有较强多重分形特重,采用主成分分析法同时对这几种指标进行分征的指标具有多重分形谱函数宽而连续的特征,且[17—19]析,鉴于深水区主要油气指标C1、C2、C3、iC4、[τ(q)—τ(1)]/(q—1)值的变化较大;而具有较弱多nC4、iC5、nC5较强的多重分形性,分析前需要对这几重分形特征的指标[τ(q)—τ(1)]/(q—1)的波动范种指标进行进行对数变换,第一主成分的载荷图和特围趋于2。可根据多重分形频谱形态来判断油气远征分布见图8。从累积方差图(图7)得知第一主成分景区。 5期张焱等:琼东南盆地深水区中央峡谷油气指标的多重分形性分析139参考文献:[1]StanleyHE,MeakinP.Multifractalphenomenainphysicsandchemistry[J].Nature,1998,335(6189):405—409.[2]AgterbergFP.Multifractalsimulationofgeochemicalmappatterns[J].JournalofChinaUniversityofGeosciences,2001,12(1):6—14.[3]ChengQM.Verticaldistributionofelementsinregolithovermineraldepositsandimplicationsformappinggeochemicalweakanomaliesincoveredareas[J].Geochemistry:Exploration,Environment,Analysis,2014,14(3):162—175.[4]ChengQM.Generalizedbinomialmultiplicativecascadeprocessesandasymmetricalmultifractaldistribution[J].NonlinearinProcessesGeophys-ics,2014,21(2):477—487.[5]ChengQM.MultifractalInterpolationMethodforSpatialDatawithSingularities[J].JournaloftheShouthernAfricanInsituteofMiningandMet-allurgy,2015,115(3):235—240.[6]成秋明.多重分形理论与地球化学元素分布规律[J].地球科学,2000,25(3):311—318.ChengQiuming.Multifractaltheoryandgeochemicalelementdistributionpattern[J].EarthScience,2000,25(3):311—318.[7]张道军,王亚辉,赵鹏肖,等.南海北部琼东南盆地陵水段峡谷沉积建造及勘探意义[J].海洋学报,2015,37(2):25—35.ZhangDaojun,WangYahui,ZhaoPengxiao,etal.SedimentaryformationandexplorationsignificanceoftheLingshuiCanyonsystemintheQiong-dongnanBasin,northernSouthChinaSea[J].HaiyangXuebao,2015,37(2):25—35.[8]王振峰.深水重要油气储层—琼东南盆地中央峡谷体系[J].沉积学报,2012,30(4):646—652.WangZhenfeng.Importantdeepwaterhydrocarbonreservoirs:thecentralcanyonsystemintheQiongdongnanBasin[J].ActaSedimentologicaSin-ica,2012,30(4):646—652.[9]苏明,解习农,王振峰,等.南海北部琼东南盆地中央峡谷体系沉积演化[J].石油学报,2013,5(3):467—478.SuMing,XieXinong,WangZhenfeng,etal.SedimentaryevolutionofthecentralcanyonsysteminQiongdongnanBasin,northernSouthChinaSea[J].ActaPetroleiSinica,2013,5(3):467—478.[10]苏明,李俊良,姜涛,等.琼东南盆地中央峡谷的形态及成因[J].海洋地质与第四纪地质,2009,29(4):85—93.SuMing,LiJunliang,JiangTao,etal.MorphologicalfeaturesandformationmechanismofcentralcanyonintheQingdongnanBasin,NorthernSouthChinaSea[J].MarineGeology&QuaternaryGeology,2009,29(4):85—93.[11]林畅松,刘景彦,蔡世祥,等.莺—琼盆地大型下切谷和海底重力流体系的沉积构成和发育背景[J].科学通报,2001,46(1):69—72.LinChangsong,LiuJingyan,CaiShixiang,etal.Depositionalarchitectureanddevelopingsettingsoflarge-scaleincisedvalleyandsubmarinegrav-ityflowsystemsintheYinggehaiandQiongdongnanBasins,SouthChinaSea[J].ChineseScienceBulletin,2001,46(1):69—72.[12]EvertszCJG,MandelbrotBB.Multifratalmeasures(AppendixB)[M]//ChaosandFractals.NewYork:SpringerVerlag,1992:922—953.[13]HalseyTC,JensenMH,KadanoffLP,etal.Fractalmeasuresandtheirsingularities,thecharacterizationofstrangesets[J].PhysRev,1986,33(2):1141—1151.[14]谢淑云,鲍征宇,苏江玉,等.新疆塔里木盆地艾协克—桑塔木南地区油气地球化学指标的多重分形性分析[J].地质论评,2005,51(1):107—112.XieShuyun,BaoZhengyu,SuJiangyu,etal.MultifractalpropertiesofoilandgasindexesinthesouthernAixieke—SangtamuregionofXinjiang,China[J].GeologicalReview,2005,51(1):107—112.[15]XieShuyun,BaoZhengyu.Fractalandmultifractalpropertiesofgeochemicalfields[J].MathematicalGeology,2004,36(7):847—864.[16]张焱,裴健翔,周永章,等.非线性技术在陵水17—2物源分析和储层预测中的应用[J].地质学报,2016,90(3):559—568.ZhangYan,PeiJianxiang,ZhouYongzhang,etal.TheApplicationofNonlinearTechniquesonProvenanceAnalysisandReservoirParameterpre-dictionatLingshui17—2[J].ActaGeologicaSinica,2016,90(3):559—568.[17]张焱,周永章.奇异性理论在钦杭成矿带(南段)庞西垌银金矿产资源预测中的应用[J].中南大学学报(自然科学版),2012,43(9):3558—3564.ZhangYan,ZhouYongzhang.ApplicationofsingularitytheoryinpredictionofsilverandgoldmineraldepositsinQinzhou-HangzhoutectonicjointbeltPangxidongArea,Guangdong,China[J].JournalofCentralSouthUniversity,2012,43(9):3558—3564.[18]YangJ,ChengQM.Acomparativestudyofindependentcomponentanalysiswithprincipalcomponentanalysisingeologicalobjectsidentification.PartⅡ:AcasestudyofPingheDistrict,Fujian,China[J].JournalofGeochemicalExploration,2015,149:136—146.[19]陈浙春,程同锦,汤玉平,等.油气化探在塔里木盆地油气勘探中的应用[J].天然气地球科学,2005,16(1):59—63.ChenZhechun,ChengTongjin,TangYuping,etal.Applicationresultsofoilandgasgeochemicaltechniqueinoilandgasexplorationintarimba-sin[J].NaturalGasGeoscience,2005,16(1):59—63. 140海洋学报38卷MultifractalpropertiesofoilandgasindexesincentralcanyonofQiongdongnanBasindeepwaterarea1,ZhangYingzhao1,YangXibing1,ZhouYongzhang2,3,ZhouJie2,ZhuJitian1ZhangYan(1·ChinaNationalOffshoreOilCorporationLimited,Zhanjiang524057,China;2·SchoolofEarthScienceandGeologicalEn-gineering,SunYat-senUniυersity,Guangzhou510275,China;3·GuangdongProυincialKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResourceSurυey,Guangzhou510275,China)Abstract:DifferentMultifractalspectrumcanbeusedforpetroleumprospectevaluation.Atypicalmultifractalmod-elcalledthemethodofmomentsisemployedtostudythedistributionpatternsbasedonthemultifractalspectrumformsobtainedfrom13oilandgasindexesand2684datainthedeepwaterareaofcentralcanyonoftheQiong-dongnanbasin.Theresultsshowthattheindicatorswithstrongmult-ifractalcharacteristicsindeepwaterhavewideandcontinuousfractalspectrumfunctionfeatures,formingarightsidearcshape.Whileotherindicatorsdis-playweakorsinglefractalfeature.Comparingtheresultwiththeonefromfactoranalysis,showsthatthesere-sultsaregenerallyconsistent.Inordertofurtherexaminetheweightsoftheseoilandgasindexes,principalcom-ponentanalysiswasusedtoanalyzetheseindicators.Theresultsindicatethatisobutane,normalbutane,iso-pen-taneisimportantindicatorstodelineatehydrocarboninthedeepwaterarea.Keywords:QiongdongnanBasin;centralcanyon;multifractal;oilandgasindexes

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