CN108399270B - 一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，属于石油勘探领域。该方法包括：(1)收集实际测井资料中的页岩地层的纵、横波速度曲线；(2)收集实验测定的或测井资料解释的页岩地层的总的粘土含量、砂岩含量、碳酸盐含量和黄铁矿含量，以及地层中干酪根和孔隙流体的含量；(3)计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿的等效弹性模量；(4)假设非定向排列的初始粘土体积含量，则：定向排列粘土体积＝总的粘土含量‑非定向排列的初始粘土体积含量；(5)计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量；(6)输入孔隙类型、孔隙纵横比、干岩石的等效弹性模量，计算该孔隙类型的形状因子。
Description
技术领域
本发明属于石油勘探领域，具体涉及一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法。
背景技术
Mavko指出，要想用理论方法的方法来预测岩石骨架和孔隙组成的混合物的等效弹性模量，一般需要知道：(1)组成岩石骨架部分的体积含量；(2)每种岩石骨架成分的弹性模量；(3)岩石骨架之间即孔隙度的几何形态。
Guo等(2013)针对Barnett页岩提出了一种较为全面的岩石物理建模流程。流程中，首先用SCA或DEM模型计算粘土与束缚水混合物的等效弹性模量，用KT模型计算干酪根与相关流体混合物的等效弹性模量，流体包括油、气、水三种，混合后的等效弹性模量用Wood方程求取。其次，随机分布的矿物颗粒和孔隙流体组成的各向同性物质由SCA或DEM模型来获取。最后，用Backus平均模型考虑由粘土矿物与干酪根颗粒定向排列所引起的VTI各向异性。该建模思路的最大特点在于将粘土矿物和有机物质干酪根分为两部分，一部分随机分布，一部分定向排列。随机分布的粘土和干酪根与其它矿物，如石英、方解石、白云石以及随机分布的各类孔隙，如球形孔隙、粒间孔、裂隙共同组成一个各向同性的岩石骨架。在此基础上，根据水平定向排列的粘土矿物和干酪根颗粒可将岩石理想化为具有垂直对称轴的横向各向异性介质(VTI)。
各向异性岩石物理模型的输入输出参数通常为刚度矩阵C或柔度矩阵S(S＝C-1)，刚度矩阵中含有5个独立的弹性参数：
通过提取矩阵内的弹性参数可用于计算不同方向上的纵横波速度。
Thomsen(1986)把描述VTI介质性质的五个弹性各向异性模量C11、C13、C33、C55和C66重新组合成其它五个参数，即垂直各向同性平面的P波和SV波速度VP0、VSV0以及三个无量纲的Thomsen各向异性参数ε、δ、γ：
其中，Vp表示P波或纵波，VSH表示SV波或横波。
当取各向同性极限时ε、δ、γ趋于零。Thomsen所列的数据中绝大多数实际岩石都表现为弱各向异性，即ε、δ、γ<<1。进一步的研究表明，即使在弱各向异性情况下，与介质的各向异性有关的许多现象也是不可忽略的。
Thomsen各向异性参数ε、δ、γ表达式为：
ε为纵波各向异性，是度量准纵波各向异性强度的参数；γ为横波各向异性，是度量准横波各向异性或横波分裂强度的参数；δ为纵波变异系数，表示纵波在垂直方向各向异性变化的快慢程度。
页岩地层通常由泥质、骨架矿物、有机质、孔隙和流体组成，在对页岩地层进行岩石物理建模过程中，应充分考虑其骨架矿物组分的复杂性，孔隙类型的多样性，以及粘土颗粒的定向排列造成的各向异性。通常情况下，将页岩的矿物与粒间孔隙部分、粘土及其束缚水部分、干酪根及其有机质部分视为各向同性介质。定向排列的粘土引起页岩地层的各向异性，页岩地层的各向异性大小主要是由于定向排列的泥质含量来确定。目前还没有确定泥质比例的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，确定页岩地层中定向排列的泥质含量，同时预测其他页岩井的纵、横波速度和各向异性。准确评价页岩地层的定向排列泥质含量、纵横波速度及其各向异性，为页岩地层开发提供准确的岩石力学参数和各向异性性质。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，包括：
(1)收集实际测井资料中的页岩地层的纵、横波速度曲线；
(2)收集实验测定的或测井资料解释的页岩地层的总的粘土含量、砂岩含量、碳酸盐含量和黄铁矿含量，以及地层中干酪根和孔隙流体的含量；
(3)计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿的等效弹性模量；
(4)假设非定向排列的初始粘土体积含量，则：定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的初始粘土体积含量；非定向排列对应于图3中的随机排列。
(5)计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量；
(6)输入孔隙类型、孔隙纵横比、干岩石的等效弹性模量，计算该孔隙类型的形状因子；
(7)计算该形状因子下的干岩石的等效弹性模量；
(8)输入油、气、水的体积含量、体积模量和密度，计算地层中油、气、水混合流体的等效弹性模量；
(9)假设干酪根作为孔隙的一部分，采用Wood模型把页岩地层的干酪根和混合流体加入到干岩石中；
(10)干岩石在加入了干酪根和混合流体以后就变成了饱和岩石，计算饱和岩石的等效弹性模量；
(11)加入定向排列粘土含量，计算出各向异性页岩地层的等效弹性模量；
(12)根据各向异性页岩地层的等效弹性模量，计算出水平和垂直方向上的纵、横波速度：
(13)判断步骤(12)中计算得到的纵、横波速度与步骤(1)中实际测量的纵、横波速度是否一致，如果一致，则转入步骤(14)，如果不一致，则返回步骤(4)；
(14)利用定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的粘土体积含量，确定页岩地层中最优的定向排列粘土含量；
(15)根据VTI介质性质的弹性参数，计算页岩地层的Thomsen各向异性参数ε、δ、γ。
所述步骤(3)中是采用VRH模型计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿等骨架矿物的等效弹性模量的。
所述步骤(5)中是采用DEM模型计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量的。
所述步骤(6)中的干岩石的孔隙类型为盘状孔隙结构类型，孔隙纵横比为0.2。
所述步骤(7)中是利用SCA或DEM或K-T模型计算干岩石的等效弹性模量的。
所述步骤(8)中是采用Wood模型计算地层中油、气、水混合流体的等效弹性模量的。
所述步骤(10)中是采用Gassmann模型求得饱和岩石的等效弹性模量的。
所述步骤(11)中是采用Backus平均模型计算出页岩地层VTI各向异性介质的等效弹性模量的。
所述步骤(13)中判断步骤(12)中计算得到的纵、横波速度与步骤(1)中实际测量的纵、横波速度是否一致是这样实现的：
将实际测量的纵、横波速度数值分别与计算得到的纵、横波速度进行比较，如果实际测量的数值与计算得到的数值两者的差值的绝对值小于5us/ft，则判断为不一致，否则判断为一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用岩石物理模拟方法确定页岩地层纵横波速度和各向异性性质，优化确定了不同定向排列及非定向排列的粘土比例。采用SCA模型、K-T模型和DEM模型评价的结果与实际测量结果对比，优选适合页岩地层的岩石物理模型和孔隙类型。在确定孔隙结构和岩石物理模型的基础上，利用纵、横波数值对比，优化确定定向排列及非定向排列的粘土比例，有利于准确确定页岩地层的各向异性性质。
附图说明
图1现有的有机页岩岩石物理建模流程图
图2为本发明页岩地层岩石物理建模流程图
图3本发明方法的步骤框图
图4本发明实施例一中的页岩地层不同岩石物理模型解释对比图
图5本发明实施例二中页岩地层岩石力学各向异性型解释成果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明根据页岩地层的矿物组分、定向及非定向粘土含量、孔隙结构和流体性质，采用岩石物理响应模型，建立了页岩地层纵横波速度各向异性模拟流程，如图2所示，现有的有机页岩岩石物理建模流程如图1所示。将地层中随机分布的、不同排列方式的粘土逐步加入到岩石基质中，逐步地，利用各种等效介质岩石物理模型计算页岩地层的等效弹性模量，方便地计算定向排列粘土引起的不同页岩地层的纵、横波速度及其各向异性性质。
如图3所示，本发明方法包括：
(1)收集实际测井资料中的页岩地层的纵、横波速度曲线；
(2)收集实验测定或测井资料解释的页岩地层的矿物体积含量，以及地层中干酪根和孔隙流体的含量，所述矿物体积含量包括粘土含量、砂岩含量、碳酸盐含量和黄铁矿含量，对应于VRH模型中的fi；
(3)用VRH模型计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿等骨架矿物的等效弹性模量；
所述步骤(3)中首先输入矿物体积含量及对应的体积模量和剪切模量，VRH模型如下：
Voigt模型假设岩石内部应变处处相等，也称为等应变平均。N种成分的等效弹性模量MV为：
式中，fi和Mi分别表示第i种成分的体积含量和弹性模量(体积模量或剪切模量)。
Reuss模型假设岩石内部应力处处相等，也称为等应力平均，N种成分的等效弹性模量MR为：
Voigt和Reuss模型分别提供了等效岩石模量的上下边界，对于某个研究对象，弹性模量的实验室测量结果或理论模型预测结果均应大于Reuss边界而小于Voigt边界。
Hill对Voigt和Reuss的上下限进行了算术平均，得到：
(4)假设非定向排列的初始粘土体积含量x0，则：
定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的初始粘土体积含量；
(5)利用DEM模型计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量：
DEM模型如下：
K*(0)＝K1，μ*(0)＝μ1
其中K*和μ*、K1和μ1以及K2和μ2分别为DEM等效介质、初始基质相以及包含物相的体积模量和剪切模量，y为包含物相的体积含量，P(*2)和Q(*2)为形状因子。
(6)考虑干岩石为盘状孔隙结构类型，纵横比为0.2，计算该孔隙类型的形状因子；
本步骤中用纵横比来表示孔隙结构，四类孔隙模型的Pmi和Qmi系数具体如表1所示：
注：
α为孔隙纵横比。
表1
(7)利用SCA或DEM或K-T模型计算干岩石的等效弹性模量。可以根据实际效果来选择使用某种模型，如果一个地层某一模型效果较差，那么今后该地区就不适用该模型；
K-T模型为：
其中
Ki和Km分别表示饱和岩石、第i种包含物和岩石基质矿物的体积模量，
μi和μm表示饱和岩石、第i种包含物和岩石基质矿物的剪切模量，xi为第i中包含物的体积含量，Pmi和Qmi表示第i种包含物加入到背景介质m中产生的形状因子。
SCA模型为：
其中，CSCA为各向异性SCA模型求得的等效介质刚度张量，vn和Cn表示第n种成分的体积含量和刚度张量，I是单位刚度张量，
为与包含物形状有关的弹性张量。
(8)通过每种流体成分的体积含量、体积模量和密度采用Wood模型计算地层中油、气、水混合流体的等效弹性模量；
(9)假设干酪根作为孔隙的一部分，采用Wood模型把页岩地层的干酪根和混合流体加入到干岩石中：
流体混合物的声波速度可用Wood方程来计算：
其中，KR是流体混合物的Reuss平均：
ρ是混合物的平均密度：
(10)加入了干酪根和混合流体以后岩石就变成了饱和岩石，利用Gassmann模型求得饱和岩石的等效弹性模量；
在干岩石(不等同于空气饱和岩石，定义为孔隙压缩只导致骨架体积形变而不诱发孔隙压力的变化)的体积模量和孔隙度之间存在一个一般的和严格的关系：
式中Kφ是干燥孔隙空间刚度，这是量化孔隙形态刚度的一个新的概念，φ是孔隙度，Kma是基质矿物(颗粒)的体积模量。
由Bettie功能互等定理可得饱和岩石体积模量和孔隙度之间的类似关系式为：
式中
Ksat是饱和岩石有效体积模量，Kfl是孔隙流体体积模量。从以上二式中消去Kf，即得：
这就是著名的Gassmann方程。式中Ksat是以有效体积模量为Kfl的孔隙流体所饱和岩石的有效体积模量；Kdry是干岩石(骨架)的有效体积模量。
对于剪切模量m，Gassmann曾指出μsat＝μdry。Gassmann方程的转换形式：
(11)定向排列的粘土将导致页岩地层的各向异性，用Backus平均模型考虑由粘土矿物颗粒定向排列所引起的VTI各向异性，从而计算出页岩地层VTI各向异性介质(即各向异性页岩地层)的等效弹性模量
C12＝C11-<c11>+<c12>
C66＝<c66>
尖括号表示对其内属性按体积比进行加权平均；
(12)根据VTI介质刚度矩阵内的等效弹性参数，计算出水平和垂直方向上的纵横波速度：
(13)判断步骤(11)中计算得到的纵、横波速度与步骤(1)中实际测量的纵、横波速度是否一致，如果一致，则转入步骤(13)，如果不一致(即实际测量数值与计算数值两者的差值的绝对值小于5us/ft)，则返回步骤(4)；
(14)利用定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的粘土体积含量确定页岩地层中最优的定向排列粘土含量；
(15)根据VTI介质性质的弹性参数，计算页岩地层的Thomsen各向异性参数ε、δ、γ：
C11＝λ+2μ＝k+4μ/3
C12＝λ＝k-2μ/3
C44＝μ
C55＝C44
每种矿物都包含C11、C13、C33、C55和C66，基于不同的矿物、孔隙结构、模型和定向排列粘土初始值，得出一个合理的定向排列粘土含量，再利用Backus模型得出C11、C13、C33、C55和C66及各向异性参数。
Thomsen各向异性参数ε、δ、γ表达式为：
本发明的两个实施例如下：
实施例一：不同岩石物理模型下的评价结果
图4中的页岩地层矿物含量和孔隙流体采用同一口页岩气井元素测井和常规测井解释的结果，分别利用SCA模型、K-T模型和DEM模型三种等效介质模型的计算结果。对于每种模型都可以计算出干岩样和饱和岩样的体积模量及剪切模量，以及页岩地层的杨氏模量和泊松比，对于三种不同模型的计算结果与Sonic scanner测井仪器解释的纵、横波时差进行对比，发现采用SCA模型的评价结果与实际测井处理结果有很好的一致性，而用K-T模型和DEM模型评价的结果与实际测井处理结果一致性较差，说明该页岩气井孔隙呈离散分布，等效介质与背景基质的弹性参数相匹配。
实施例二：各向异性计算结果
图5中的页岩地层矿物含量和孔隙流体采用某页岩气井元素测井和常规测井解释的结果，利用SCA模型和硬币状孔隙结构模拟了页岩地层的水平方向和垂直方向的杨氏模量、泊松比、纵、横波时差，以及页岩地层的各向异性系数。图中ε为纵波各向异性，是度量准纵波各向异性强度的参数，在页岩层段ε在0.5～0.8之间，说明纵波的各向异性较强；γ为横波各向异性，是度量准横波各向异性或横波分裂强度的参数，在页岩层段γ在0.8～1.0之间，说明横波的各向异性很强；δ为纵波变异系数，表示纵波在垂直方向各向异性变化的快慢程度，在页岩层段δ<0，说明纵波在垂直方向各向异性较小。
本发明根据页岩地层的矿物组分、定向及非定向粘土含量、孔隙结构和流体性质，采用岩石物理响应模型，建立了页岩地层纵横波速度各向异性模拟流程。将地层中随机分布的、不同排列方式的粘土逐步加入到岩石基质中，逐步地，利用各种等效介质岩石物理模型计算页岩地层的等效弹性模量。方便地计算定向排列粘土引起的不同页岩地层的纵、横波速度及其各向异性性质。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (9)
1.一种确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)收集实际测井资料中的页岩地层的纵、横波速度曲线；
(2)收集实验测定的或测井资料解释的页岩地层的总的粘土含量、砂岩含量、碳酸盐含量和黄铁矿含量，以及地层中干酪根和孔隙流体的含量；
(3)计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿的等效弹性模量；
(4)假设非定向排列的初始粘土体积含量，则：定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的初始粘土体积含量；
(5)计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量；
(6)输入孔隙类型、孔隙纵横比、干岩石的等效弹性模量，计算该孔隙类型的形状因子；
(7)计算该形状因子下的干岩石的等效弹性模量；
(8)输入油、气、水的体积含量、体积模量和密度，计算地层中油、气、水混合流体的等效弹性模量；
(9)假设干酪根作为孔隙的一部分，采用Wood模型把页岩地层的干酪根和混合流体加入到干岩石中；
(10)干岩石在加入了干酪根和混合流体以后就变成了饱和岩石，计算饱和岩石的等效弹性模量；
(11)加入定向排列粘土含量，计算出各向异性页岩地层的等效弹性模量；
(12)根据各向异性页岩地层的等效弹性模量，计算出水平和垂直方向上的纵、横波速度：
(13)判断步骤(12)中计算得到的纵、横波速度与步骤(1)中实际测量的纵、横波速度是否一致，如果一致，则转入步骤(14)，如果不一致，则返回步骤(4)；
(14)利用定向排列粘土体积＝总的粘土含量-非定向排列的粘土体积含量,确定页岩地层中最优的定向排列粘土含量；
(15)根据VTI介质性质的弹性参数，计算页岩地层的Thomsen各向异性参数ε、δ、γ，其中，ε为纵波各向异性，δ为纵波变异系数，γ为横波各向异性。
2.根据权利要求1所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(3)中是采用VRH模型计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿的等效弹性模量的。
3.根据权利要求2所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(5)中是采用DEM模型计算骨架矿物与非定向排列粘土的干岩石的等效弹性模量的。
4.根据权利要求3所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的干岩石的孔隙类型为盘状孔隙结构类型，孔隙纵横比为0.2。
5.根据权利要求4所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(7)中是利用SCA或DEM或K-T模型计算干岩石的等效弹性模量的。
6.根据权利要求5所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(8)中是采用Wood模型计算地层中油、气、水混合流体的等效弹性模量的。
7.根据权利要求6所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(10)中是采用Gassmann模型求得饱和岩石的等效弹性模量的。
8.根据权利要求7所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(11)中是采用Backus平均模型计算出页岩地层VTI各向异性介质的等效弹性模量的。
9.根据权利要求8所述的确定页岩地层中各向异性泥质比例的方法，其特征在于：所述步骤(13)中判断步骤(12)中计算得到的纵、横波速度与步骤(1)中实际测量的纵、横波速度是否一致是这样实现的：
将实际测量的纵、横波速度数值分别与计算得到的纵、横波速度进行比较，如果实际测量的数值与计算得到的数值两者的差值的绝对值小于5us/ft，则判断为一致，否则判断为不一致。
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