CN104153770B - 一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统，所述方法包括：对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像；对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像；对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型；对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立模型，之后对烃源岩热演化过程进行模拟，可以量化并可视化的再现热演化过程，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持。

Description

一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统

技术领域

本发明关于石油地球物理勘探技术领域，特别是关于石油勘探中烃源岩演化、页岩油气初次运移的技术领域，具体的讲是一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统。

背景技术

非常规油气系统较常规油气更为复杂，其特征之一是通常作为烃源岩的泥页岩也具有储积油气能力和油气开发潜力。研究泥页岩在微观(纳米级)尺度上的生烃过程、有机质孔隙演化、排烃压力等问题有助于对页岩油资源更准确的评价和更有效的开发。

生烃热模拟实验是烃源岩成烃潜力与资源评价的重要手段，可再现地质体中有机质热解演化过程，为评价盆地成烃潜力、过程与机理、推导成烃模式及动力学提供理论依据和实验资料。目前研究烃源岩的方法多采用实验室方法，按照实验体系的封闭程度生烃模拟实验可分为开放体系、半开放体系和封闭体系三类。开放模拟实验最大的缺点是无法考虑压力对生烃过程的影响；封闭体系最大优点是可模拟烃源岩的最大生气量，但由于生成的液态组分无法排出体系，在高温条件下液态烃与重烃气体组分会发生二次裂解；对于半开放体系，如果模拟样品是原始岩样而非干酪根，由于其有机碳相对较低，生成的烃类量不会很大，其所产生的压力有可能使整个系统达不到设置压力(源岩突破压力)，因此这种体系不能完全模拟真实地层条件。

由此可见，生烃热模拟的实验方法虽然实用可靠，能从宏观上模拟烃源岩的演化过程，但是由于受实验条件以及现有技术手段的限制，很多问题尚无法通过实验手段来解决，例如：(1)天然气二次裂解动力学模拟研究；(2)围压控制下烃源岩排烃效率的高温高压模拟研究；(3)高温高压下有机质、地层水和矿物质相互作用以及孔隙发育条件下的模拟研究；(4)高温高压下油气形成与流体相态和流体流动性模拟研究；(5)有机质转化与岩石机械破碎强度的模拟研究等。

非常规油气研究的深入对泥页岩的生烃与孔隙演化的研究提出了更高要求。因此，针对作为烃源岩的泥页岩，如何研发一种能够揭示模拟或反演烃源岩的演化过程的微观机理的方案，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

为了克服现有技术中烃源岩的研究方法多采用实验室方法造成的无法揭示模拟或反演烃源岩的演化过程的微观机理的问题，本发明提供了一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统，可用于烃源岩演化、页岩油气运移等方面的研究，采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立模型，之后对烃源岩热演化过程进行模拟，可以量化并可视化的再现热演化过程，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持。

本发明的目的之一是，提供一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法，包括：对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像；对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像；对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型；对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。

本发明的目的之一是，提供了一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统，包括：预处理装置，用于对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像；物相识别装置，用于对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像；数字化处理装置，用于对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型；反演模拟装置，用于对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。

本发明的有益效果在于，提供了一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统，可用于烃源岩演化、页岩油气运移等方面的研究，采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立模型，之后对烃源岩热演化过程进行模拟，可以量化并可视化的再现热演化过程，从微观上对泥页岩的生烃热演化进行模拟，有效的弥补了传统实验室方法存在的不足，并通过量化及可视化动态模拟演示，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法的流程图；

图2为图1中的步骤S101的具体流程图；

图3为图1中的步骤S102的具体流程图；

图4为图1中的步骤S104的具体流程图；

图5为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统的结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的预处理装置101的具体结构框图；

图7为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的物相识别装置102的具体结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的反演模拟装置104的具体结构框图；

图9为本发明提供的具体实施例中的二维与三维的成像图；

图10为本发明提供的具体实施例中的物相区分后的数字模型示意图；

图11为本发明提供的具体实施例中的生烃演化模拟结果示意图；

图12为本发明提供的具体实施例中的某模拟时间点的压力分布情况示意图；

图13为本发明提供的具体实施例中泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，微观的岩石结构表征技术已经发展并快速进入成熟阶段，包括聚焦粒子束/电子束双束扫描电镜(FIB-SEM)等在内的刻画储层孔隙三维结构的方法已经接近或者达到纳米级的分辨率。通过这些设备，烃源岩中的有机质纳米孔等结构已经可以被非常清晰的表征出来。微观岩石结构表征技术的进步为烃源岩的演化模拟研究提供了一个新的思路。

基于此，本发明提出了一种模拟泥页岩生烃过程与有机孔隙演化的方案，采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立数字模型，然后采用一套特殊的数值方法对烃源岩热演化过程进行反演模拟，量化以及可视化地再现烃源岩热演化过程，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持，可用于烃源岩演化、页岩油气初次运移等方面的研究。

图1为本发明提出的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法的具体流程图，由图1可知，所述的方法包括：

S101：对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像。图2为步骤S101的具体流程图。图像预处理主要目的是为改善图像质量和纠正图像的几何误差等。

泥页岩样品试块由泥页岩样品经过切割、抛光处理以及表面镀碳处理后得到，具体的在实际的使用中，首先选取泥页岩样品。选取某泥页岩气产区页岩(烃源岩)样品。

其次将所述的泥页岩样品制作成样品试块，该步骤具体包括：根据预先设定的成像要求对所述的泥页岩样品进行切割，得到试块(在具体的实施方式中，根据预先设定的成像要求制作样品，将选取的泥页岩样品，切割成诸如形状大约为面积1cm²，高度0.3～0.5mm的试块。对所述的试块进行抛光处理。在具体的实施方式中，对试块的其中一个表面进行抛光处理。若使用普通高分辨率扫描电镜SEM进行二维成像，则对试块的其中一个表面进行离子抛光；若进行聚焦离子束/电子束双束扫描电镜FIB-SEM三维成像，则对试块的其中一个表面进行精细机械抛光即可(平整度尽量在1μm以下)，并保持清洁。)；对抛光处理后的试块进行表面镀碳处理，得到样品试块(在具体的实施方式中，使用导电胶将抛光处理后的试块黏贴在样品台上，表面镀碳，用含银导电胶刷侧面，利于电荷扩散。将抛光处理后的试块放入真空中，采用离子溅射的方式，在其一光滑面上溅射一层厚度约20nm的碳，形成导电面。)

最后对所述的样品试样进行背散射成像，得到扫描图像。在具体的实施方式中，选择合适的观察域，并按所使用的扫描电镜操作规范对样品试样进行背散射成像，得到扫描图像。若使用普通扫描电镜，一般只能进行二维成像；若使用FIB-SEM，则二维和三维成像都可完成。如图9所示，为本发明提供的具体实施例中的二维与三维的成像图，将样品试块放入高分辨扫描电镜中，选取合适区域，采用背散射电子相对观察区域进行成像，生成的扫描图像即为如图9所示的24位TIF文件。

S102：对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。图3为步骤S102的具体流程图。物相区分主要是建立物相与图像灰度值之间的关系，划分时要综合考虑灰度值与矿物一般的对应关系和成像时的具体设置。

S103：对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型。将扫描图像转化为数字模型，模型以矩阵存储为基础，维持像素阵列的空间结构，可储存和拓展模型参数与变量。

在具体的实施方式中，基于表征图像，建立阵列模式的数字模型。按照扫描图像的像素的位置建立数字矩阵(二维图像为二维矩阵，三维图像为三维矩阵)。矩阵中的每一个元素都为一个数组，用来存储该像素点的一系列物理化学属性。这些属性根据物相的不同会有所不同，例如，孔隙属性包括：体积、压力、密度、温度等；有机质属性包括：温度、压力、密度、体积、反应物浓度、油气吸附量等；无机质矿物属性包括：压力、温度、密度、体积、孔隙体积、最大毛管力等；重金属矿物与无机矿物相同。这些模型属性的设定首先要根据实际地质资料背景及相关实验室数据，如无机矿物的主要成分(以设定排烃阻力等)、有机质丰度(以设定反应物浓度等)、埋藏史(以设定温度、压力及时间步长等)。

步骤S101至S103均为模型的建立步骤，步骤S104即为模型的模拟步骤。

S104：对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。图4为步骤S104的具体流程图。

本方法通过反演模拟的方式对影响泥页岩生烃的主要因素进行推断，并能量化、可视化的再现生烃过程。

图2为图1中的步骤S101的具体流程图，由图2可知，该方法具体包括：

S201：对所述的扫描图像进三角矫正。

S202：对三角矫正后的扫描图像进行平滑处理。

S203：对平滑处理后的扫描图像进行亮度补偿，得到预处理后的扫描图像。

在具体的实施方式中，可使用图像处理软件(例如AVIZO，MATLAB等)对扫描图像进行一定的预处理，以矫正原始图像中存在的一些噪点、亮度损失、形变等问题。这些预处理包括(但不限于)三角矫正、平滑、亮度补偿等。

图3为图1中的步骤S102的具体流程图，由图3可知，该方法具体包括：

S301：根据背散射成像的规律确定孔隙、有机质以及无机质的临界值。

在具体的实施方式中，背散射成像的一般规律是矿物结晶程度越高则灰度值越大。一般情况下，随着灰度值从小变大至少可以分出四个区间段，即孔隙、有机质、无机矿物、重金属矿物。在具体的实施例中，由于采用的成像设备及成像参数不同，灰度与物相的对应关系与相应的实验条件有关，因此需要根据实际情况来具体划分四种物相所对应灰度值区间，并进行标识，即确定出孔隙、有机质以及无机质的临界值。

S302：根据所述孔隙、有机质以及无机质的临界值建立图像灰度值与物相的对应关系图版。

在具体的实施方式中，确定出孔隙、有机质以及无机质的临界值，即可划分四种物相所对应灰度值区间，并进行标识，进而建立图像灰度值与物相的对应关系图版。

S303：根据图像灰度值与物相的对应关系图版对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。

建立的图像灰度值与物相的对应关系图版，根据像素点的灰度值来标示该位置的矿物成分类型。在具体的实施方式中，将图像的灰度值映射到[0,1]区间，并采用0.22、0.4作为区分孔隙、有机质和无机质的临界值，得到区分物相后的示意图，如图12为具体实施例中的物相区分后的数字模型示意图。

图4为图1中的步骤S104的具体流程图，由图4可知，该步骤具体包括：

S401：获取泥页岩样品对应的地质资料。

S402：获取所述地质资料的烃源岩热演化史。

S403：根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行设置，所述的参数包括时间步长以及边界条件。在本发明的具体实施方式中，设置的参数还可包括初始条件。

S404：对参数设置后的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟，得到模拟结果。所述泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟包括干酪根生烃、有机孔演化、有机质的油气吸附、生烃增压、烃源岩排烃，下面逐一进行介绍。

该步骤的主体是对数字模型进行计算机模拟，采用理论方程来描述泥页岩热演化过程中的一些主要现象，即：

(1)干酪根生烃：根据化学动力学建立干酪根生烃与与温度、时间相关的演化方程，计算干酪根生烃量。

首先采用化学动力学一级反应方程计算干酪根消耗，即

$ln\frac{C_0}{C}=kt---\left(1\right)$

其中：C₀为每一时间步内反应物初始浓度，k为反应速度常数，由有机质性质和温度决定；t为时间步长；C为反应后的反应物浓度。

然后通过反应物浓度的变化计算生烃量，即：

n_g＝(C₀-C)Nλ (2)

其中：N为反应物(即有机质)总量，λ为生成物与反应物摩尔比，n_g为生烃量。

(2)有机孔演化：建立有机孔隙与干酪根生烃量之间的关系并进行有机孔演化计算。本发明假设有机质孔隙演化与有机质生烃呈线性关系，即干酪根浓度的降低即为有机质孔隙生成量：

Δφ＝ΔC＝C₀-C (3)

(3)有机质的油气吸附：建立有机质对油气的吸附量与温度、压力的关系方程，计算有机质等对油气的吸附量。以计算气体吸附量的理论方程为例，有朗格缪尔方程、BET方程等。本发明暂采用朗格缪尔等温吸附方程实现：

$V_a=V_m\frac{Cp}{p_0+Cp}---\left(4\right)$

其中，V_m为饱和吸附量，p₀为饱和蒸汽压，C为常数，p为当前压力，V_a为吸附量。

(4)生烃增压：建立孔隙压力与孔隙度、游离烃量、温度的相关关系，计算生烃压力。本发明以生气为例，利用理想气体方程进行计算生烃压力，即：

$p=\frac{n_{h}RT}{V_{\mathrm{\φ}}}---\left(5\right)$

其中，V_φ为孔隙体积，由总体积与孔隙度计算得到(V×φ)，n_h为游离烃量，由烃总量减去吸附烃量计算得到(n-n_a)，R为理想气体常数，T为绝度温度。

(5)烃源岩排烃：随着有机质生烃热演化，有机质内部的压力逐渐增加。当生烃增压达到一定程度之后，压力突破毛管阻力，驱动油气向无机矿物微裂缝中运移，即：

p≥p_c (6)

其中，p_c为最大毛细管压力。

由于油气进入到了更大的体积空间中，利用方程(5)重新计算油气压力(油气的压力会有所降低)。此后需要生烃演化持续不断进行(重复上述步骤)，以继续增加油气压力，使烃类不断向有机质外部运移。

S405：获取所述地质资料的实验结果，实验结果是指当前烃源岩演化的相关室内实验结果(如TOC，Ro等)。

S406：判断所述的实验结果与所述的模拟结果是否相符；

S407：当判断为否时，根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行重设。由于本发明采用的是反演模拟，上述模型属性需要根据反演结果做适当调整，以便得到更好的模拟结果。因此，返回步骤S403，按照结合地质资料所给出的烃源岩热演化史，设定适合的时间步长和边界条件，不断的重复模拟步骤(1)至(5)，在模拟的过程中不断更新相应的变量并记录，直到模拟到当前时间。

模拟结果与当前烃源岩演化的相关室内实验结果(如TOC，Ro等)相符，则反演成功。如与实验结果差异较大，则需回到步骤S404检讨模型假设，通过调整热演化史、修改初始参数等方式重新进行模拟，直到获得与现状相符合的模拟结果。

如上所述，即为本发明提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法，采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立数字模型，然后采用一套特殊的数值方法对烃源岩热演化过程进行反演模拟，量化以及可视化地再现烃源岩热演化过程，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持，可用于烃源岩演化、页岩油气初次运移等方面的研究。

图5为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统的结构框图，由图5可知，所述的系统包括：

预处理装置101，用于对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像。图像预处理主要目的是为改善图像质量和纠正图像的几何误差等。

泥页岩样品试块由泥页岩样品经过切割、抛光处理以及表面镀碳处理后得到，具体的在实际的使用中，首先选取泥页岩样品。选取某泥页岩气产区页岩(烃源岩)样品。

其次将所述的泥页岩样品制作成样品试块，该步骤具体包括：根据预先设定的成像要求对所述的泥页岩样品进行切割，得到试块(在具体的实施方式中，根据预先设定的成像要求制作样品，将选取的泥页岩样品，切割成诸如形状大约为面积1cm²，高度0.3～0.5mm的试块。对所述的试块进行抛光处理。在具体的实施方式中，对试块的其中一个表面进行抛光处理。若使用普通高分辨率扫描电镜SEM进行二维成像，则对试块的其中一个表面进行离子抛光；若进行聚焦离子束/电子束双束扫描电镜FIB-SEM三维成像，则对试块的其中一个表面进行精细机械抛光即可(平整度尽量在1μm以下)，并保持清洁。)；对抛光处理后的试块进行表面镀碳处理，得到样品试块(在具体的实施方式中，使用导电胶将抛光处理后的试块黏贴在样品台上，表面镀碳，用含银导电胶刷侧面，利于电荷扩散。将抛光处理后的试块放入真空中，采用离子溅射的方式，在其一光滑面上溅射一层厚度约20nm的碳，形成导电面。)

最后对所述的样品试样进行背散射成像，得到扫描图像。在具体的实施方式中，选择合适的观察域，并按所使用的扫描电镜操作规范对样品试样进行背散射成像，得到扫描图像。若使用普通扫描电镜，一般只能进行二维成像；若使用FIB-SEM，则二维和三维成像都可完成。如图9所示，为本发明提供的具体实施例中的二维与三维的成像图，将样品试块放入高分辨扫描电镜中，选取合适区域，采用背散射电子相对观察区域进行成像，生成的扫描图像即为如图9所示的24位TIF文件。

物相识别装置102，用于对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。物相区分主要是建立物相与图像灰度值之间的关系，划分时要综合考虑灰度值与矿物一般的对应关系和成像时的具体设置。

数字化处理装置103，用于对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型。将扫描图像转化为数字模型，模型以矩阵存储为基础，维持像素阵列的空间结构，可储存和拓展模型参数与变量。

在具体的实施方式中，基于表征图像，建立阵列模式的数字模型。按照扫描图像的像素的位置建立数字矩阵(二维图像为二维矩阵，三维图像为三维矩阵)。矩阵中的每一个元素都为一个数组，用来存储该像素点的一系列物理化学属性。这些属性根据物相的不同会有所不同，例如，孔隙属性包括：体积、压力、密度、温度等；有机质属性包括：温度、压力、密度、体积、反应物浓度、油气吸附量等；无机质矿物属性包括：压力、温度、密度、体积、孔隙体积、最大毛管力等；重金属矿物与无机矿物相同。这些模型属性的设定首先要根据实际地质资料背景及相关实验室数据，如无机矿物的主要成分(以设定排烃阻力等)、有机质丰度(以设定反应物浓度等)、埋藏史(以设定温度、压力及时间步长等)。

以上装置均为模型的建立装置，反演模拟装置即为模型的模拟装置。

反演模拟装置104，用于对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。

本系统通过反演模拟的方式对影响泥页岩生烃的主要因素进行推断，并能量化、可视化的再现生烃过程。

图6为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的预处理装置101的具体结构框图，由图6可知，预处理装置101具体包括：

三角矫正模块201，用于对所述的扫描图像进三角矫正。

平滑处理模块202，用于对三角矫正后的扫描图像进行平滑处理。

亮度补偿模块203，用于对平滑处理后的扫描图像进行亮度补偿，得到预处理后的扫描图像。

在具体的实施方式中，可使用图像处理软件(例如AVIZO，MATLAB等)对扫描图像进行一定的预处理，以矫正原始图像中存在的一些噪点、亮度损失、形变等问题。这些预处理包括(但不限于)三角矫正、平滑、亮度补偿等。

图7为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的物相识别装置102的具体结构框图，由图7可知，物相识别装置102具体包括：

临界值确定模块301，用于根据背散射成像的规律确定孔隙、有机质以及无机质的临界值。

在具体的实施方式中，背散射成像的一般规律是矿物结晶程度越高则灰度值越大。一般情况下，随着灰度值从小变大至少可以分出四个区间段，即孔隙、有机质、无机矿物、重金属矿物。在具体的实施例中，由于采用的成像设备及成像参数不同，灰度与物相的对应关系与相应的实验条件有关，因此需要根据实际情况来具体划分四种物相所对应灰度值区间，并进行标识，即确定出孔隙、有机质以及无机质的临界值。

关系版图确定模块302，用于根据所述孔隙、有机质以及无机质的临界值建立图像灰度值与物相的对应关系图版。

在具体的实施方式中，确定出孔隙、有机质以及无机质的临界值，即可划分四种物相所对应灰度值区间，并进行标识，进而建立图像灰度值与物相的对应关系图版。

物相识别模块303，用于根据图像灰度值与物相的对应关系图版对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。

建立的图像灰度值与物相的对应关系图版，根据像素点的灰度值来标示该位置的矿物成分类型。在具体的实施方式中，将图像的灰度值映射到[0,1]区间，并采用0.22、0.4作为区分孔隙、有机质和无机质的临界值，得到区分物相后的示意图，如图10为具体实施例中的物相区分后的数字模型示意图。

图8为本发明实施例提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统中的反演模拟装置104的具体结构框图，由图8可知，反演模拟装置104具体包括：

地质资料获取模块401，用于获取泥页岩样品对应的地质资料。

热演化史获取模块402，用于获取所述地质资料的烃源岩热演化史。

参数设置模块403，用于根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行设置，所述的参数包括时间步长以及边界条件。在本发明的具体实施方式中，设置的参数还可包括初始条件。

反演模拟模块404，用于对参数设置后的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟，得到模拟结果。所述泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟包括干酪根生烃、有机孔演化、有机质的油气吸附、生烃增压、烃源岩排烃，下面逐一进行介绍。

该步骤的主体是对数字模型进行计算机模拟，采用理论方程来描述泥页岩热演化过程中的一些主要现象，即：

(1)干酪根生烃：根据化学动力学建立干酪根生烃与与温度、时间相关的演化方程，计算干酪根生烃量。

首先采用化学动力学一级反应方程计算干酪根消耗，即

$ln\frac{C_0}{C}=kt---\left(1\right)$

其中：C₀为每一时间步内反应物初始浓度，k为反应速度常数，由有机质性质和温度决定；t为时间步长；C为反应后的反应物浓度。

然后通过反应物浓度的变化计算生烃量，即：

n_g＝(C₀-C)Nλ (2)

其中：N为反应物(即有机质)总量，λ为生成物与反应物摩尔比，n_g为生烃量。

(2)有机孔演化：建立有机孔隙与干酪根生烃量之间的关系并进行有机孔演化计算。本发明假设有机质孔隙演化与有机质生烃呈线性关系，即干酪根浓度的降低即为有机质孔隙生成量：

Δφ＝ΔC＝C₀-C (3)

(3)有机质的油气吸附：建立有机质对油气的吸附量与温度、压力的关系方程，计算有机质等对油气的吸附量。以计算气体吸附量的理论方程为例，有朗格缪尔方程、BET方程等。本发明暂采用朗格缪尔等温吸附方程实现：

$V_a=V_m\frac{Cp}{p_0+Cp}---\left(4\right)$

其中，V_m为饱和吸附量，p₀为饱和蒸汽压，C为常数，p为当前压力，V_a为吸附量。

(4)生烃增压：建立孔隙压力与孔隙度、游离烃量、温度的相关关系，计算生烃压力。本发明以生气为例，利用理想气体方程进行计算生烃压力，即：

$p=\frac{n_{h}RT}{V_{\mathrm{\φ}}}---\left(5\right)$

其中，V_φ为孔隙体积，由总体积与孔隙度计算得到(V×φ)，n_h为游离烃量，由烃总量减去吸附烃量计算得到(n-n_a)，R为理想气体常数，T为绝度温度。

(5)烃源岩排烃：随着有机质生烃热演化，有机质内部的压力逐渐增加。当生烃增压达到一定程度之后，压力突破毛管阻力，驱动油气向无机矿物微裂缝中运移，即：

p≥p_c (6)

其中，p_c为最大毛细管压力。

由于油气进入到了更大的体积空间中，利用方程(5)重新计算油气压力(油气的压力会有所降低)。此后需要生烃演化持续不断进行(重复上述步骤)，以继续增加油气压力，使烃类不断向有机质外部运移。

实验结果获取模块405，用于获取所述地质资料的实验结果，实验结果是指当前烃源岩演化的相关室内实验结果(如TOC，Ro等)。

判断模块406，用于判断所述的实验结果与所述的模拟结果是否相符；

参数重设模块407，用于当所述的判断模块判断为否时，根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行重设。由于本发明采用的是反演模拟，上述模型属性需要根据反演结果做适当调整，以便得到更好的模拟结果。因此，返回参数设置模块，按照结合地质资料所给出的烃源岩热演化史，设定适合的时间步长和边界条件，不断的重复模拟步骤(1)至(5)，在模拟的过程中不断更新相应的变量并记录，直到模拟到当前时间。

模拟结果与当前烃源岩演化的相关室内实验结果(如TOC，Ro等)相符，则反演成功。如与实验结果差异较大，则需回到反演模拟模块检讨模型假设，通过调整热演化史、修改初始参数等方式重新进行模拟，直到获得与现状相符合的模拟结果。

如上所述，即为本发明提供的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统，采用微观岩石结构表征技术为泥页岩热演化模拟建立数字模型，然后采用一套特殊的数值方法对烃源岩热演化过程进行反演模拟，量化以及可视化地再现烃源岩热演化过程，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持，可用于烃源岩演化、页岩油气初次运移等方面的研究。

下面结合具体的实施例，详细介绍本发明的技术方案。图13为本发明提供的具体实施例中泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法的流程图。

建模部分：

(1)取某页岩气产区页岩(烃源岩)样品，制成小试块，对其中一个表面进行离子抛光。(2)将该试块放入真空中，采用离子溅射的方式，在其一光滑面上溅射一层厚度约20nm的碳，形成导电面。(3)将该样品放入高分辨扫描电镜中，选取合适区域，采用背散射电子相对观察区域进行成像，并保存成24位TIF文件1(图9中的二维图像)。(4)使用AVIZO软件对文件1该图像进行平滑处理，去除噪点保存成文件2。(5)通过自编的MATLAB程序将文件2导入，将图像的灰度值映射到[0,1]区间，并采用0.22和0.4作为区分孔隙、有机质和无机质的临界值，得到区分物相后的文件3(如图10)。(6)将文件3读入到自编MATLAB程序中，结合其物相，对各个像素点设置相应的参数，例如，有机质含量，生烃率，吸附能力，无机质最大毛管力，时间步长等。

模拟部分：

在将图像模型化的基础上，要结合实际地质资料和相关实验结果，对模型的参数、初始条件及边界条件进行一定的假设和设置。按照公式(1)-(6)模拟步骤进行计算(干酪根生烃，有机孔演化，吸附，增压，排烃)。根据需要设定输出数据、图片及动画等。例如，图11为模拟进行一段时间后的结果，图11中的01表示有烃类存在的像素，图12为模拟一段时间后的压力分布情况。重复公式(1)-(6)模拟步骤完成反演模拟。每一个时间步内的计算分析主要包括：有机质生烃、有机孔隙演化、油气吸附、生烃增压、排烃等内容，计算完毕后更新相应变量，进入下一个时间步知道模拟结束。反演分析需要将模拟结果与当前的实际状态进行比对，若结果吻合不好，需重新检讨模型假设、参数、边界条件等并重新计算，直到获得较吻合结果。

综上所述，本发明提出的一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法及系统，首先将泥页岩样品制备成适于扫描电镜观察的样品；通过高分辨率的扫描电镜对目标区域进行背散射成像；通过对扫描图像进行物相识别等处理后，将其数字化成为可供模拟使用的模型；然后采用计算机程序进行泥页岩生烃和有机孔隙演化的反演模拟，其主要的模拟步骤包括：干酪根生烃，孔隙演化，油气吸附，生烃增压，排烃等。该方案利用计算机手段，从微观上对泥页岩的生烃热演化进行模拟，有效的弥补了传统实验室方法存在的不足，并通过量化及可视化动态模拟演示，为非常规油气资源研究，尤其是页岩油方面的研究提供有力的技术支持。

本发明的有益效果在于：

(1).该方案首次通过计算机模拟的方式来实现烃源岩生烃与有机质孔隙演化的实验。

(2).该方案能直观地观测到岩石的二维/三维孔隙结构，物质组成等。

(3).该方案结合地球化学，力学等多种原理，通过计算程序将理论方法引入到实验模拟中。

(4).该方案更加适用于烃源岩生烃与有机质孔隙演化的精细描述和研究探索。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟方法，其特征是，所述的方法包括：

对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像；

对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像；

对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型；

对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的泥页岩样品试块由泥页岩样品经过切割、抛光处理以及表面镀碳处理后得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对所述的扫描图像进预处理包括：

对所述的扫描图像进三角矫正；

对三角矫正后的扫描图像进行平滑处理；

对平滑处理后的扫描图像进行亮度补偿，得到预处理后的扫描图像。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是，对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像包括：

根据背散射成像的规律确定孔隙、有机质以及无机质的临界值；

根据所述孔隙、有机质以及无机质的临界值建立图像灰度值与物相的对应关系图版；

根据图像灰度值与物相的对应关系图版对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟包括：

获取泥页岩样品对应的地质资料；

获取所述地质资料的烃源岩热演化史；

根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行设置，所述的参数包括时间步长以及边界条件；

对参数设置后的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟，得到模拟结果；

获取所述地质资料的实验结果；

判断所述的实验结果与所述的模拟结果是否相符；

当判断为否时，根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行重设。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟包括干酪根生烃、有机孔演化、有机质的油气吸附、生烃增压和烃源岩排烃。

7.一种泥页岩生烃与有机孔隙演化的模拟系统，其特征是，所述的系统包括：

预处理装置，用于对泥页岩样品试块背散射成像得到的扫描图像进预处理，得到预处理后的扫描图像；

物相识别装置，用于对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像；

数字化处理装置，用于对物相识别后的扫描图像进行数字化处理，得到数字模型；

反演模拟装置，用于对所述的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的泥页岩样品试块由泥页岩样品经过切割、抛光处理以及表面镀碳处理后得到。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的预处理装置包括：

三角矫正模块，用于对所述的扫描图像进三角矫正；

平滑处理模块，用于对三角矫正后的扫描图像进行平滑处理；

亮度补偿模块，用于对平滑处理后的扫描图像进行亮度补偿，得到预处理后的扫描图像。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征是，所述的物相识别装置包括：

临界值确定模块，用于根据背散射成像的规律确定孔隙、有机质以及无机质的临界值；

关系版图确定模块，用于根据所述孔隙、有机质以及无机质的临界值建立图像灰度值与物相的对应关系图版；

物相识别模块，用于根据图像灰度值与物相的对应关系图版对预处理后的扫描图像进行物相识别，得到物相识别后的扫描图像。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征是，所述的反演模拟装置包括：

地质资料获取模块，用于获取泥页岩样品对应的地质资料；

热演化史获取模块，用于获取所述地质资料的烃源岩热演化史；

参数设置模块，用于根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行设置，所述的参数包括时间步长以及边界条件；

反演模拟模块，用于对参数设置后的数字模型进行泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟，得到模拟结果；

实验结果获取模块，用于获取所述地质资料的实验结果；

判断模块，用于判断所述的实验结果与所述的模拟结果是否相符；

参数重设模块，用于当所述的判断模块判断为否时，根据所述的烃源岩热演化史对所述数字模型的参数进行重设。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，所述泥页岩生烃与有机孔隙演化的反演模拟包括干酪根生烃、有机孔演化、有机质的油气吸附、生烃增压和烃源岩排烃。