CN104007482A - 一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法，通过将Kuster-Toksoz（1965）模型、Sevostianov（2003）各向异性有效场理论、Brown-Korringa方程（1974）进行结合，从而建立一种基于非均质体间应力场作用的考虑了孔隙结构（孔隙几何尺寸）影响的可以预测含有机质饱和流体岩石弹性张量的岩石物理模型。该模型区别于传统的等效介质理论，而是根据非均质体间的应力场作用，并利用干酪根与油气混合的特征来表征干酪根的成熟度，同时根据基质颗粒的纵横比来表征其定向排列特征，而且将基质孔隙分为粒内孔隙、粒间孔隙、裂缝等多种孔隙类型，从而建立了考虑多种影响因素的岩石物理模型。

Description

一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法

技术领域

本发明属于岩石物理技术领域，特别涉及一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法，是一种基于非均质体间应力场作用的考虑了孔隙结构（孔隙几何尺寸）影响的可以预测含有机质饱和流体岩石弹性张量的岩石物理模型方法。

背景技术

泥页岩在沉积盆地中分布广泛，其低孔低渗的特征使得其能常成为油气储层的盖层，而另一方面，它又作为一种烃源岩，在非常规储层开发中越来越受到重视。特别是近年来富含有机质的泥页岩，由于其巨大的生烃潜力，成为一种炙手可热的研究对象。比如说北美地区的Bakken层的黑色泥页岩（Vernik andNur,1992）以及北海地区的Kimmeridge泥页岩（Vernik，1995），其孔隙空间可能充填干酪根，油气。通常来说，由于粘土颗粒（主要是伊利石）以及干酪根的定向排列，还有微裂缝及微裂隙的存在，使得这些泥页岩都表现出比较强烈的速度各向异性特征。那么，如何有效地定量评价粘土含量、其各向异性以及定向排列与干酪根的分布特征及其含量对于烃源岩的弹性特征（生烃评价）及其工程特征（脆性）的影响就显得尤其重要。此外，干酪根的成熟度及其特征也对泥页岩储层评价及工程施工有着极为重要的影响，如何建立一种模型来综合评价这些影响因素就显得非常迫切。

发明内容

本文通过将Kuster-Toksoz（1965）模型、Sevostianov（2005）各向异性有效场理论、Brown-Korringa方程（1975）进行结合，从而建立一种基于非均质体间应力场作用的考虑了孔隙结构（孔隙几何尺寸）影响的可以预测含有机质饱和流体岩石弹性张量的岩石物理模型。

本发明的技术方案（计算步骤）：

步骤1，通过精细测井分析，得到弹性张量计算所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质、泥质含量、孔隙度、有机质含量；

步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；

步骤3，利用Kuster-Toksoz模型，给定干酪根成熟度初值或者依照化学分析的数据，将油气与干酪根混合，得到干酪根与油气混合物的弹性张量；

步骤4，将干酪根油气混合物作为背景介质，给定岩石基质的纵横比（范围0～1），利用各向异性有效场理论计算基质与干酪根混合物的复合岩石的弹性张量；

步骤5，利用各向异性有效场理论将粒间孔隙、粒内孔隙、裂缝加入到混合岩石中形成干岩石，计算其弹性张量参数；

步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性张量参数；

对上述技术方案（步骤）说明如下：

（1）步骤3所述的干酪根与油气混合物的弹性张量通过Kuster-Toksoz模型进行计算，假设S为流体的饱和度，也即为干酪根的成熟度，且S=φ_f/(φ_f+φ_kerogen)，φ_f和φ_kerogen分别表示流体与干酪根的体积分数，且混合物的弹性张量为：

$\frac{c_{13}^{\mathrm{if}}+\frac{2}{3}{c}_{55}^{\mathrm{if}}}{K_k}=\frac{1+[4{\mathrm{\μ}}_k(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)/K_k]S}{1-[3(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)]S}---\left(1\right)$

$\frac{c_{55}^{\mathrm{if}}}{{\mathrm{\μ}}_k}=\frac{(1-S)(9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k)}{9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k+S(6K_k+12{\mathrm{\μ}}_k)}---\left(2\right)$

其中符号k，f，if分别表示干酪根，流体，干酪根与油气混合物；K，μ，S，c分别表示体积模量，剪切模量，流体饱和度即干酪根成熟度，复合岩石的弹性张量。

（2）步骤4所述各向异性有效场理论通过以下方式计算复合介质的有效弹性张量：

$C_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{eff}}=C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(0\right)}+v{[{\left(C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(1\right)}\right)}^{-1}+(1-v)P_{\mathrm{ijkl}}]}^{-1}---\left(3\right)$

其中是介质的有效弹性张量，是基质的弹性张量，是包含物与基质弹性张量差异，v是包含物的体积分数，且P_ijkl=∫_vG_ik,lj(x-x′)dx′|_(ij)(kl)，这里的G(x)是各项异性无限大介质的格林函数，且符号(ij)代表包含的符号ij的对称；

（3）步骤5所述的粒间孔隙、粒内孔隙、裂缝，利用不同的孔隙纵横比0.8、0.15、0.01分别表征。

本发明与已有技术相比达到的有益效果是：

从岩石组成的非均质体间应力场作用出发，通过将Kuster-Toksoz（1965）模型、Sevostianov（2003）各向异性有效场理论、Brown-Korringa方程（1974）进行结合，从而建立一种基于非均质体间应力场作用的考虑了孔隙结构（孔隙几何尺寸）影响的可以预测含有机质饱和流体岩石弹性张量的岩石物理模型。

附图说明

图1是基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型建模流程图。

图2是页岩基质矿物与干酪根油气混合物的组成的复合岩石的弹性张量随干酪根与油气混合物体积分数的变化，以干酪根与油气混合物作为包含物，并假设包含物的纵横比为0.1，干酪根成熟度为0.5，即干酪根与油气各占总体积分数的50%的示意图。

图3是页岩基质矿物与干酪根油气混合物的组成的复合岩石的弹性张量随干酪根与油气混合物体积分数的变化，以页岩基质矿物作为包含物，并假设包含物的纵横比为0.1，干酪根成熟度为0.5，即干酪根与油气各占总体积分数的50%的示意图。

图4是复合岩石的弹性张量参数随干酪根成熟度的变化，以页岩基质为包含物，并假设包含物的纵横比分别为0.1，0.2，0.5，1，孔隙纵横比为0.1，100%水饱和的示意图。

图5是是Bakken页岩各种矿物平均体积分数及弹性模量数据表。

图6是基于该模型的弹性张量预测结果与Wu(2011)及实测参数的对比表，以页岩基质矿物为包含物，并假设包含物纵横比为0.1，且孔隙纵横比也为0.1，实际化验表明干酪根为不成熟，说明该模型的预测精度较高。

具体实施方式

传统的岩石物理模型都是基于各向同性假设的，或者基于等效介质理论的，Hornby（1994）提出了各向异性SCA（Self-consistent approximation）与DEM（Differential effective medium）结合的模型来研究泥页岩的各向异性特征。Vernik（1992，1997）和Carcione（2000）在Backus平均及其改进的基础上对于泥页岩各向异性特征进行了研究。Carcione（2000））还研究了由于干酪根成熟度引起的生油气造成的孔隙压力变化的影响。Carcione（2011）将Krief方程拓展到各向异性域，并结合各向异性Gassmann方程对干酪根及粘土引起的各项异性特征进行了分析。Wensa（2012）and Gading（2012）指出高效的泥页岩层段表现出比较强的低阻抗以及负的反射振幅特征。

因此本实施例，一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法，包括以下步骤：

步骤1，通过测井分析，得到弹性张量计算所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质、泥质含量、孔隙度、有机质含量；

步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；

步骤3，利用Kuster-Toksoz模型，给定干酪根成熟度初值或者依照化学分析的数据，将油气与干酪根混合，得到干酪根与油气混合物的弹性张量；

步骤4，将干酪根油气混合物作为背景介质，给定岩石基质的纵横比，利用各向异性有效场理论计算基质与干酪根混合物的复合岩石的弹性张量；

步骤5，利用各向异性有效场理论将粒内孔隙、粒间孔隙、裂缝加入到混合岩石中形成干岩石，计算其弹性张量参数；

步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性张量参数；

实施例中，步骤3所述的干酪根与油气混合物的弹性张量通过Kuster-Toksoz模型进行计算，设S为流体的饱和度，也即为干酪根的成熟度，且S=φ_f/(φ_f+φ_kerogen)，φ_f和φ_kerogen分别表示流体与干酪根的体积分数，且混合物的弹性张量为：

$\frac{c_{13}^{\mathrm{if}}+\frac{2}{3}{c}_{55}^{\mathrm{if}}}{K_k}=\frac{1+[4{\mathrm{\μ}}_k(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)/K_k]S}{1-[3(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)]S}---\left(1\right)$

$\frac{c_{55}^{\mathrm{if}}}{{\mathrm{\μ}}_k}=\frac{(1-S)(9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k)}{9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k+S(6K_k+12{\mathrm{\μ}}_k)}---\left(2\right)$

其中符号k，f，if分别表示干酪根，流体，干酪根与油气混合物；K，μ，S，c分别表示体积模量，剪切模量，流体饱和度即干酪根成熟度，复合岩石的弹性张量。

实施例中，步骤4所述各向异性有效场理论通过以下方式计算复合介质的有效弹性张量：

$C_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{eff}}=C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(0\right)}+v{[{\left(C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(1\right)}\right)}^{-1}+(1-v)P_{\mathrm{ijkl}}]}^{-1}---\left(3\right)$

其中是介质的有效弹性张量，是基质的弹性张量，是包含物与基质弹性张量差异，v是包含物的体积分数，且P_ijkl=∫_vG_ik,lj(x-x′)dx′|_(ij)(kl)，这里的G(x)是各项异性无限大介质的格林函数，且符号(ij)代表包含的符号ij的对称。

实施例中，步骤5所述的粒间孔隙、粒内孔隙、裂缝，利用不同的孔隙纵横比0.8、0.15、0.01分别表征。

通过一组岩心测量数据与预测结果的对比说明：

图1是基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型建模流程图。

步骤1，通过精细测井分析，得到弹性张量计算所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质、泥质含量、孔隙度、有机质含量，如图5表所示；

步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；

步骤3，利用Kuster-Toksoz模型，给定干酪根成熟度初值或者依照化学分析的数据，将油气与干酪根混合，得到干酪根与油气混合物的弹性张量；

步骤4，将干酪根油气混合物作为背景介质，给定岩石基质的纵横比，利用各向异性有效场理论计算基质与干酪根混合物的复合岩石的弹性张量；

步骤5，利用各向异性有效场理论将粒内孔隙、粒间孔隙、裂缝加入到混合岩石中形成干岩石，计算其弹性张量参数；

步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性张量参数；

图6表给出了基于该模型的弹性张量预测结果与Wu(2011)及实测岩心数据的对比，可以看到，该模型的预测结果相对于Wu给出的预测结果，更接近于岩心实测数据，并且通过图3说明了将页岩基质作为包含物与将干酪根油气混合物作为包含物更能刻画实际岩石弹性张量随组分体积分数的变化，图4说明干酪根的成熟度对于岩石弹性张量的影响是巨大而不可忽视的。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (4)

1.一种基于各向异性有效场的泥页岩岩石物理模型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过测井分析，得到弹性张量计算所需的岩性和基本物性参数，包括岩石基质、泥质含量、孔隙度、有机质含量；

步骤2，通过Voigt-Reuss-Hill平均公式（1952）得到岩石骨架的体积模量和剪切模量，通过Wood方程（1955）得到混合流体的弹性参数，并根据各组分的密度和体积分数求算饱和流体介质的总密度；

步骤3，利用Kuster-Toksoz模型，给定干酪根成熟度初值或者依照化学分析的数据，将油气与干酪根混合，得到干酪根与油气混合物的弹性张量；

步骤4，将干酪根油气混合物作为背景介质，给定岩石基质的纵横比（范围0～1），利用各向异性有效场理论计算基质与干酪根混合物的复合岩石的弹性张量；

步骤5，利用各向异性有效场理论将粒内孔隙、粒间孔隙、裂缝加入到混合岩石中形成干岩石，计算其弹性张量参数；

步骤6，通过Brown-Korringa（1975）公式进行流体替代，计算饱和流体介质的弹性张量参数；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所述的干酪根与油气混合物的弹性张量通过Kuster-Toksoz模型进行计算，设S为流体的饱和度，也即为干酪根的成熟度，且S=φ_f/(φ_f+φ_kerogen)，φ_f和φ_kerogen分别表示流体与干酪根的体积分数，且混合物的弹性张量为：

$\frac{c_{13}^{\mathrm{if}}+\frac{2}{3}{c}_{55}^{\mathrm{if}}}{K_k}=\frac{1+[4{\mathrm{\μ}}_k(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)/K_k]S}{1-[3(K_f-K_k)/(3K_f+4{\mathrm{\μ}}_k)]S}---\left(1\right)$

$\frac{c_{55}^{\mathrm{if}}}{{\mathrm{\μ}}_k}=\frac{(1-S)(9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k)}{9K_f+8{\mathrm{\μ}}_k+S(6K_k+12{\mathrm{\μ}}_k)}---\left(2\right)$

其中符号k，f，if分别表示干酪根，流体，干酪根与油气混合物；K，μ，S，c分别表示体积模量，剪切模量，流体饱和度即干酪根成熟度，复合岩石的弹性张量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4所述各向异性有效场理论通过以下方式计算复合介质的有效弹性张量：

$C_{\mathrm{ijkl}}^{\mathrm{eff}}=C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(0\right)}+v{[{\left(C_{\mathrm{ijkl}}^{\left(1\right)}\right)}^{-1}+(1-v)P_{\mathrm{ijkl}}]}^{-1}---\left(3\right)$

其中是介质的有效弹性张量，是基质的弹性张量，是包含物与基质弹性张量差异，v是包含物的体积分数，且P_ijkl=∫_vG_ik,lj(x-x′)dx′|_(ij)(kl)，这里的G(x)是各项异性无限大介质的格林函数，且符号(ij)代表包含的符号ij的对称。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5所述的粒间孔隙、粒内孔隙、裂缝，利用不同的孔隙纵横比0.8、0.15、0.01分别表征。