CN109655940A - 页岩各向异性岩石物理模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩各向异性岩石物理模型建模方法，包括将页岩基质视为脆性矿物、有机质和粘土组成的混合物；将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度；将页岩总孔隙划为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙；获取含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的弹性参数；求取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；求取页岩基质和页岩干岩石骨架等效弹性参数；基于页岩基质和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建。本发明能较准确地预测页岩的纵横波速度和各向异性参数。
Description
技术领域
本发明属于岩石物理模型建模领域，更具体地，涉及一种页岩各向异性岩石物理模型建模方法。
背景技术
页岩的微观结构比较复杂，影响页岩弹性性质的因素多种多样，复杂的矿物组分、有机质、粘土颗粒的定向排列以及微裂缝的发育等对页岩弹性性质都会产生影响，再加上页岩具有典型的强各向异性特征，这都是常规储层岩石物理建模所没有遇到的难题。目前，还没有一种比较有效的描述泥页岩弹性性质的岩石物理模型建模方法。
基于对页岩微观结构和各向异性特征的研究表明，粘土矿物含量和其定向排列是其各向异性产生的主要因素，例如国内龙马溪组页岩。而国内页岩岩石物理模型的构建多没有考虑粘土矿物的定向性这一特征，把粘土矿物看作各向同性介质添加到模型中，也没有考虑页岩的微观结构特征。
因此，有必要提供一种页岩的各向异性岩石物理模型的建模方法，能够考虑页岩各向异性产生的主要因素，有效的描述页岩的弹性性质。
发明内容
本发明的目的是解决页岩岩石物理模型研究中存在的难题，旨在提供一种适用各向异性岩石物理模型建模方法，以期能够更加有效的表征页岩宏观岩石物理性质与微观结构之间的依赖关系。
为了实现上述目的，本发明提供了一种页岩各向异性岩石物理模型建模方法，该建模方法包括：
将页岩基质视为脆性矿物、有机质和粘土组成的混合物；
将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度；
将页岩总孔隙划分为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙类型；
求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数和含有有机质孔隙的有机质的弹性参数，进而建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型，获取含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的弹性参数；
求取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；
求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；进而求取页岩基质等效弹性参数和求取页岩干岩石骨架等效弹性参数；
基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建。
本发明基于页岩岩石物理实验测试和微观结构研究，在明确了页岩岩石物理性质、各向异性特征及其影响因素的基础上，研发了页岩各向异性岩石物理模型建模方法。通过本发明所建立的页岩各向异性岩石物理模型，能够更加有效的表征页岩宏观岩石物理性质与其微观结构之间的依赖关系，可较准确地预测页岩的纵波速度、横波速度和各向异性参数，从而为页岩气甜点预测、储层改造和监测等勘探开发技术研究和生产应用提供岩石物理基础支持。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了本发明的页岩各向异性岩石物理模型建模方法的流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法的建模示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩岩石基质参数的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩干岩石骨架参数的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩饱和岩石参数的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟结果与页岩样品实验测试结果的对比图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟结果与页岩气井测井资料的对比图。
图8a-图8f分别示出了本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟有机质含量和有机质孔发育对页岩垂向纵波速度VPv、垂向SV横波速度VSV、Vp/Vs和各向异性参数ε、δ、γ影响的结果图。
图9a-图9f分别示出了本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟脆性矿物含量和粘土矿物定向性对页岩垂向纵波速度VPV、垂向SV横波速度VSV、Vp/Vs和各向异性参数ε、δ、γ影响的结果图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了本发明的页岩各向异性岩石物理模型建模方法的流程图。图1中，步骤104、105和106中求取各混合物的弹性参数和含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数的步骤不分先后，以下描述顺序仅为示例性的。
如图1所示，本发明提供了一种页岩各向异性岩石物理模型建模方法，该建模方法包括：步骤101，将页岩基质视为脆性矿物、有机质和粘土组成的混合物；步骤102，将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度；步骤103，将页岩总孔隙划分为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙类型；步骤104，求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数和含有有机质孔隙的有机质的弹性参数，进而建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型，获取含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的弹性参数；步骤105，求取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；步骤106，求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；进而求取页岩基质等效弹性参数和求取页岩干岩石骨架等效弹性参数；步骤107，基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建。
本发明基于页岩的岩性特征、微观结构和岩石物理特征，在保证理论模型物理机制和岩石结构相统一的基础上，将粘土颗粒视为各向异性元，引入粘土定向指数表征其定向排列程度，综合利用各向异性自洽模型和各向异性微分等效模型基础上，构建了页岩各向异性岩石物理模型，并利用岩石物理实验测试数据和测井数据验证了模型的准确性和适用性。
以下具体说明本发明的：
步骤101，将页岩基质视为脆性矿物、有机质和粘土组成的混合物。
在一个示例中，所述脆性矿物包括硅质、长石、钙质和铁质。
页岩脆性矿物包括硅质(石英)、长石、钙质(方解石和白云石)、铁质(黄铁矿和赤铁矿)等。
步骤102，将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度。
粘土含量和定向性是页岩各向异性特征产生的主要因素，因此将页岩中的粘土颗粒视为各向异性元，各向异性元具有固定不变的弹性刚度矩阵，通过引入各向异性元来实现对粘土矿物定向排列所表征的各向异性特征的模拟。各向异性元的弹性刚度矩阵为：
步骤103，将页岩总孔隙划分为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙类型。建立物理模型时，将页岩总孔隙划分为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙类型。
步骤104，求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数和含有有机质孔隙的有机质的弹性参数，进而建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型，获取含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的弹性参数。
在一个示例中，所述求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数包括：
采用Hashin-Shtrikman边界模型计算脆性矿物各向同性混合情况下的弹性参数上下边界，求上下边界的平均值作为脆性矿物混合物的弹性参数；
利用各向同性微分等效介质模型，将脆性孔加入到所述脆性矿物混合物中，得到含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数。
Hashin-Shtrikman边界模型的计算公式由下式给出：
K1，K2为各组分的体积参数；μ1、μ2为各组分的剪切参数；f1和f2为各组分的体积含量。KHS+和KHS-为体积参数的上限和下限；μHS+和μHS-为剪切参数的上限和下限。上下限是通过交换哪个材料是1和2来求得的，当硬的材料定义为1时求得的是上限，当软的材料定义为1时求得的是下限。
在一个示例中，所述求取含有有机质孔隙的有机质弹性参数包括：
基于经验公式VKerogen(v％)＝2.2466×TOC(wt％)，将总有机碳质量百分含量转换为有机质的体积含量；
基于各向同性自洽模型和各向同性微分等效介模型的联合模型在有机质中添加有机质孔隙，得到含有有机质孔隙的有机质的弹性参数。
在一个示例中，所述建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型包括：
当总有机碳质量百分含量小于2％时，采用微分等效介质模型建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型；
当总有机碳质量百分含量大于2％时，采用自洽模型和微分等效介质模型的联合模型建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型。
脆性矿物和有机质的混合物，当总有机碳质量百分含量(TOC)含量小于2％时，有机质多分散分布在矿物颗粒间，不起骨架支撑作用，建模过程采用微分等效介质模型(DEM)，将有机质当成包含物的形式添加；当总有机碳质量百分含量(TOC)含量大于2％时，有机质就会存在部分连续分布的状态，对岩石骨架将起支撑作用，有机质就视为岩石骨架的一部分，建模过程中使用自洽模型和微分等效介模型的联合模型(SCA-DEM结合的方式)实现有机质和脆性矿物的混合，从而得到脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数。
步骤105，求取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数。
基于脆性矿物混合物和有机质，建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型，获取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数。
作为优选方案，所述建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型包括：
当总有机碳质量百分含量小于2％时，采用微分等效介质模型建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型；
当总有机碳质量百分含量大于2％时，采用自洽模型和微分等效介质模型的联合模型建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型。
步骤106，求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；进而求取页岩基质等效弹性参数和求取页岩干岩石骨架等效弹性参数。
在一个示例中，所述求取页岩基质等效弹性参数包括：
基于脆性矿物混合物和有机质，建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型，获取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；
求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；
基于脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数和含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数，求取页岩基质等效参数。
在一个示例中，所述求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数包括：
基于粘土颗粒各向异性元和粘土颗粒定向指数，求取粘土介质的弹性参数；
采用各向异性微分等效介质模型，在粘土中添加粘土孔隙和束缚水，得到含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；
将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度。将页岩中粘土孔隙视为不连通孔隙，采用各向异性微分等效介质模型(各向异性DEM模型)，连同其中不可动的束缚水以包含物的形式向泥质中添加，从而得到含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数。
在一个示例中，当cdi＝1时，粘土介质的弹性参数等于粘土颗粒各向异性元的弹性参数；当cdi＝0时，粘土介质的弹性参数为当0﹤cdi＜1时，其中，cdi为粘土颗粒定向指数，为粘土颗粒各向异性元的弹性参数，Cv为粘土介质的弹性参数，为cdi＝0粘土颗粒完全随机分布时粘土介质的弹性参数。
在一个示例中，所述求取页岩基质等效参数和页岩干岩石骨架等效参数包括：
当粘土矿物含量大于20％时，粘土作为页岩岩石的背景介质，脆性矿物和有机质的混合物作为包含物，采用各向异性微分等效介质模型分别计算页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数；
当粘土矿物含量小于20％时，以脆性矿物和有机质的混合物作为岩石的背景介质，粘土作为包含物，采用各向异性自洽模型和各向异性微分等效介质模型的联合模型分别计算页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数。
步骤107，基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建。
在一个示例中，采用Brown-Korringa各向异性流体替换理论，基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建；
Brown-Korringa各向异性流体替换理论由下式给出：
其中，为页岩干岩石骨架等效弹性参数，为页岩孔隙流体饱和状态下的等效弹性参数，页岩基质等效弹性参数，βfl为孔隙流体可压缩性参数，β0为矿物可压缩性参数，φ为孔隙度。
通过本发明的方法所建立的页岩各向异性岩石物理模型，能够更加有效的表征页岩宏观岩石物理性质与其微观结构之间的依赖关系，可较准确地预测页岩的纵波速度、横波速度和各向异性参数，从而为页岩气甜点预测、储层改造和监测等勘探开发技术研究和生产应用提供岩石物理基础支持。
实施例1
图2示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法的建模示意图。
如图2所示，1)首先，由Hashin-Shtrikman边界模型模拟脆性矿物各向同性混合情况下的弹性性质，由于石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等脆性矿物均可视为刚性矿物，弹性性质较为接近，可用该模型进行混合；
2)脆性矿物孔添加：龙马溪组页岩中的脆性矿物分布有粒间孔和粒内溶孔，且多为不连通孔隙，该类孔隙孔径和纵横比通常较大，但含量较少。因此可使用各向同性微分等效介质模型(各向同性DEM模型)加入到脆性矿物混合物中，得到含孔隙脆性矿物混合物；
3)有机质和有机质孔隙的添加：TOC为总有机碳质量百分含量(wt％)，而在岩石物理建模等分析中用到的是干酪根的体积含量，需要把TOC转化为体积含量后再加入到模型中去，我们在岩石物理模型中使用由实验得到的经验公式VKerogen(v％)＝2.2466×TOC(wt％)，将TOC总有机碳质量百分含量(wt％)转换为有机质的体积含量。采用各向同性自洽模型和各向同性微分等效介模型的联合模型(各向同性SCA_DEM模型)在干酪根中添加有机质孔隙，确保有机质中孔隙的连通性。同时，有机质孔占总有机质体积的比重也反映了有机质的成熟度，从而使得模型可以模拟页岩有机质含量和成熟度对页岩岩石物理性质的影响；
4)含孔有机质和含孔脆性矿物的混合物：龙马溪组页岩中脆性矿物以生物成因为主，有机质含量和硅质含量成正相关，且有机质形态多为团块状分散分布。当TOC含量小于一定值时(2％)，有机质多分散分布在矿物粒间，不起支撑作用，有机质不作为岩石的骨架，因此建模过程采用微分等效介质模型(DEM)当成包含物的形式添加；当TOC含量大于一定值时(2％)，有机质就会存在部分连续分布的状态，对岩石骨架将起支撑作用，有机质就应视为岩石骨架的一部分，建模过程中使用自洽模型和微分等效介模型的联合模型(SCA_DEM联合模型)实现有机质和脆性矿物的混合；
5)粘土颗粒各向异性元：实验分析表明龙马溪组页岩具有较强的各向异性特征，粘土含量和定向性是其各向异性特征产生的主要因素，将页岩中的粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，通过在模型中引入各向异性元来实现对粘土矿物的定向排列和颗粒形状所表征的各向异性特征的模拟。该各向异性元表示最微观的粘土结构单元，从各向异性元出发，利用各向异性等效介质理论，得到页岩中粘土整体所表现出的等效弹性性质和各向异性特征。
其中，Cs表示各向异性元的弹性刚度矩阵。
6)粘土定向排列指数：引入粘土颗粒定向指数cdi表征粘土颗粒定向排列程度。cdi＝1表示粘土颗粒完全定向，粘土介质的弹性参数等于粘土颗粒各向异性元的弹性参数cdi＝0表示粘土颗粒完全随机分布，不具有定向性，粘土介质宏观上表现为各向同性，其弹性参数为当cdi介于0-1之间时，粘土矿物为部分定向，其弹性参数CV由下式给出。
7)粘土矿物孔和孔隙束缚水的添加：粘土矿物的孔隙纵横比相对较小，且多为非连通孔隙，通常填充为不可动的束缚水。因此，将页岩储层中粘土孔隙视为不连通孔隙，采用各向异性DEM模型，连同其中不可动的束缚水以包含物的形式向泥质中添加。
8)粘土颗粒和含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的混合：当粘土矿物含量大于20％时，粘土矿物作为背景介质，脆性矿物和有机质的混合物1作为包含物，采用各向异性DEM模型计算等效参数；当粘土矿物含量小于20％时，以混合物1作为背景介质，粘土作为包含物，采用各向异性SCA_DEM联合模型计算等效参数。
9)采用各向同性微分等效介质模型(各向同性DEM模型)计算脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数，进而采用各向异性自洽模型和各向异性微分等效介质模型的联合模型(各向异性SCA-DEM模型)计算页岩基质等效弹性参数。
10)根据储层中油、气、水的实际饱和度，利用Wood公式计算油、气、水混合时的流体弹性参数；根据页岩岩石基质参数、页岩干岩石参数和流体的弹性参数，利用Brown-Korringa各向异性流体替换理论，计算得到流体饱和状态下的页岩等效弹性参数；进而计算出流体饱和状态下页岩的纵、横波速度，以及各向异性参数。
本实施例，在明确了页岩岩石物理性质、各向异性特征及其影响因素的基础上，通过将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度，实现了对页岩各向异性特征的表征；考虑了页岩多种孔隙类型，有机质的成熟度反映在有机质孔的发育，可实现有机质孔隙发育以及有机质成熟度对页岩岩石物理性质的影响研究；模型中考虑了页岩复杂的矿物组分，通过矿物组分的替换分析，可实现脆性矿物类型及含量对页岩岩石物理性质的影响研究；考虑了页岩不同孔隙类型及形态，可实现孔隙结构对页岩岩石物理参数影响分析；采用BK各向异性流体替换，可实现各向异性介质情况下的流体替换分析，从而可获得流体饱和状态下的页岩岩石物理性质。
通过本实施例所建立的页岩各向异性岩石物理模型，能够更加有效的表征页岩宏观岩石物理性质与其微观结构之间的依赖关系，可较准确地预测页岩的纵波速度、横波速度和各向异性参数，从而为页岩气甜点预测、储层改造和监测等勘探开发技术研究和生产应用提供岩石物理基础支持。
实施例2
本实施例通过页岩岩石基质参数计算、页岩干岩石骨架参数计算和页岩饱和岩石参数计算三大步骤来具体说明本发明的页岩各向异性岩石物理模型建模方法。
图3示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩岩石基质参数的示意图。图4示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩干岩石骨架参数的示意图。图5示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩饱和岩石参数的示意图。其中，HS表示Hashin-Shtrikman边界理论模型，ani-SCA_DEM表示各向异性自洽模型和各向异性微分等效介模型的联合模型，ani-DEM表示各向异性微分等效介模型，TOC表示总有机碳质量百分含量，Kerogen表示有机质，Brown-Korringa公式表示Brown-Korringa各向异性流体替换理论公式，SCA_DEM表示各向同性自洽模型和各向同性微分等效介模型的联合模型。利用Wood公式求取油、气、水等流体混合物的等效弹性参数，流体混合物等效体积参数的计算公式为流体混合物密度的计算公式为fi、Ki和ρi分别是流体各组分的体积分量、体积参数和密度。
图3所示，本实施例提供的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩岩石基质参数的方法，具体包括以下步骤：
1)由Hashin-Shtrikman边界平均模型计算硅质(石英)、长石、钙质(方解石、白云石)、铁质(黄铁矿)等脆性矿物的脆性矿物混合物弹性参数；
2)使用由实验得到的经验公式VKerogen(v％)＝2.2466×TOC(wt％)，将TOC总有机碳质量百分含量(wt％)转换为有机质的体积百分含量；
3)计算混合物1(无孔的有机质和脆性矿物的混合物)的等效弹性参数，根据脆性矿物混合物弹性参数和含量，以及有机质弹性参数和含量，当TOC含量小于2％时，采用微分等效介质模型(DEM)，将有机质当成包含物的形式添加；当TOC含量大于2％时，使用SCA_DEM结合的方式实现有机质和脆性矿物的混合，从而得到无孔的脆性矿物和有机质的混合物1的弹性参数；
4)将页岩中的粘土颗粒视为一个各向异性元，各向异性元具有固定不变的弹性刚度矩阵，并计算出不同定向指数情况下的页岩粘土弹性参数；
5)采用各向异性微分等效介质理论(aniDEM)模型向粘土中添加含有不可动束缚水的孔隙，得到含孔粘土的弹性参数；
6)由混合物1(即无孔的脆性矿物和有机质的混合物)的弹性参数和含孔粘土的弹性参数，利用各向异性自洽模型和各向异性微分等效介质模型的联合模型(ani-SCA_DEM)计算得到页岩岩石基质的弹性参数。
如图4所示，本实施例提供的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩干岩石骨架参数的方法，具体包括以下步骤：
1)由Hashin-Shtrikman边界平均模型计算硅质(石英)、长石、钙质(方解石、白云石)、铁质(黄铁矿)等脆性矿物的脆性矿物混合物弹性参数；
2)采用各向同性微分等效介质模型(DEM)，将脆性矿物孔加入到脆性矿物混合物中，得到含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数；
3)使用由实验得到的经验公式VKerogen(v％)＝2.2466×TOC(wt％)，将TOC总有机碳质量百分含量(wt％)转换为有机质的体积百分含量；
4)采用各向同性自洽模型和微分等效介质模型的联合模型(SCA_DEM)，将有机质孔加入到有机质中，得到含孔隙有机质的弹性参数；
5)含孔混合物1(即含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物)弹性等效弹性参数的计算：根据含孔脆性矿物混合物弹性参数和含量，以及含孔有机质弹性参数和含量，把含孔脆性矿物混合物当做背景介质，当TOC含量小于一定值时(2％)，采用各向同性微分等效介质模型(DEM)把有机质当做成包含物的形式添加；当TOC含量大于一定值时(2％)，建模过程中使用各向同性SCA_DEM结合的方式实现有机质和脆性矿物的混合；
6)将页岩中的粘土颗粒视为一个各向异性元，各向异性元具有固定不变的弹性刚度矩阵，并计算出不同定向指数情况下的页岩粘土弹性参数；
7)采用各向异性微分等效介质理论(ani-DEM)模型向粘土中添加含有不可动束缚水的孔隙，得到含孔粘土的弹性参数；
8)由含孔混合物1(即含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物)的弹性参数和含孔粘土的弹性参数，利用各向异性自洽模型和各向异性微分等效介质模型的联合模型(ani-SCA_DEM)计算得到页岩干岩石的弹性参数。
如图5所示，本实施例提供的页岩各向异性岩石物理模型建模方法中求取页岩饱和流体状态下的岩石参数的方法，具体包括以下步骤：
1)根据储层中油、气、水的实际饱和度，利用Wood公式计算油、气、水混合时的流体弹性参数；
2)根据页岩岩石基质参数、页岩干岩石参数和流体的弹性参数，利用Brown-Korringa各向异性流体替换理论，计算得到流体饱和状态下的页岩等效弹性参数；
流体饱和状态下的弹性参数表示为：
3)进而根据弹性参数同速度和各向异性参数的关系式，计算出流体饱和状态下页岩的纵、横波速度，以及各向异性参数。
平行层理纵波速度VPH、垂直层理纵波速度VPV、SH横波速度VSH、SV横波速度VSV等与弹性参数各参数间的关系有下式给出：
ε、γ和δ三个各向异性参数与弹性参数各参数间的关系有下式给出：
测试例1
图6示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟结果与页岩样品实验测试结果的对比图。其中，VP为纵波速度，VS为横波速度，ρ为密度，VPV表示垂直方向的纵波速度，VPH表示水平方向上的纵波速度，VSV表示垂直方向的SV横波速度，VSH表示水平方向上的SV横波速度，ε、γ、δ为各向异性参数。
根据本发明实施例1的页岩各向异性岩石物理模型建模方法进行仿真试验验证。利用研发的页岩各向异性岩石物理模型建模方法对页岩岩石物理测试样品进行了模拟试算，如图6所示，由图可知模型预测水平向、垂向的纵波和横波速度、各向异性参数等结果都与岩石物理测试数据有非常好的吻合，从而验证了本发明的页岩各向异性岩石物理模型建模方法的正确性和适用性。
测试例2
图7示出了根据本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟结果与页岩气井测井资料的对比图。
使用测井数据对根据本发明实施例1的页岩各向异性岩石物理模型建模方法进行验证。如图7所示，分析所建页岩各向异性岩石物理模型所预测的纵、横波速度和实测测井数据也都有非常好的吻合，从而也验证了本发明的页岩各向异性岩石模型建模方法的正确性和适用性。
测试例3
图8a-图8f分别示出了本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟有机质含量和有机质孔发育对页岩垂向纵波速度VPv、垂向SV横波速度VSV、Vp/Vs和各向异性参数ε、δ、γ影响的结果图。图9a-图9f分别示出了本发明的一个实施例的页岩各向异性岩石物理模型模拟脆性矿物含量和粘土矿物定向性对页岩垂向纵波速度VPV、垂向SV横波速度VSV、Vp/Vs和各向异性参数ε、δ、γ影响的结果图。其中，VPV为垂向纵波速度，VSV为垂向SV横波速度、Vp/Vs为垂向纵横波速度比，ε、δ、γ表示各向异性参数。
利用本发明实施例1的页岩各向异性岩石物理模型建模方法分析了页岩岩石速度、弹性参数、各向异性参数随有机质含量、有机质孔发育、脆性矿物含量及粘土定向性的变化情况。如图8a-9f所示，通过本发明的方法得出的结论与实验室测量结果有较好的一致性。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其特征在于，该建模方法包括：
将页岩基质视为脆性矿物、有机质和粘土组成的混合物；
将粘土颗粒视为具有固定不变弹性刚度矩阵的各向异性元，引入粘土颗粒定向指数表征粘土颗粒定向排列程度；
将页岩总孔隙划分为脆性孔、粘土孔和有机质孔三种孔隙类型；
求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数和含有有机质孔隙的有机质的弹性参数，进而建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型，获取含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的弹性参数；
求取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；
求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；进而求取页岩基质等效弹性参数和求取页岩干岩石骨架等效弹性参数；
基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建。
2.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述求取页岩基质等效弹性参数包括：
基于脆性矿物混合物和有机质，建立脆性矿物和有机质的混合物的物理模型，获取脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数；
求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数；
基于脆性矿物和有机质的混合物的弹性参数和含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数，求取页岩基质等效参数。
3.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述脆性矿物包括硅质、长石、钙质和铁质。
4.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述求取含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数包括：
采用Hashin-Shtrikman边界模型计算脆性矿物各向同性混合情况下的弹性参数上下边界，求上下边界的平均值作为脆性矿物混合物的弹性参数；
利用各向同性微分等效介质模型，将脆性孔加入到所述脆性矿物混合物中，得到含孔隙脆性矿物混合物的弹性参数。
5.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述求取含有有机质孔隙的有机质弹性参数包括：
基于经验公式VKerogen(v％)＝2.2466×TOC(wt％)，将总有机碳质量百分含量转换为有机质的体积含量；
基于各向同性自洽模型和各向同性微分等效介模型的联合模型在有机质中添加有机质孔隙，得到含有有机质孔隙的有机质的弹性参数。
6.根据权利要求5所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型包括：
当总有机碳质量百分含量小于2％时，采用微分等效介质模型建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型；
当总有机碳质量百分含量大于2％时，采用自洽模型和微分等效介质模型的联合模型建立含孔脆性矿物和含孔有机质的混合物的物理模型。
7.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述求取含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数包括：
基于粘土颗粒各向异性元和粘土颗粒定向指数，求取粘土介质的弹性参数；
采用各向异性微分等效介质模型，在粘土介质中添加粘土孔隙和束缚水，得到含束缚水的孔隙粘土介质弹性参数。
8.根据权利要求7所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，
当cdi＝1时，粘土介质的弹性参数等于粘土颗粒各向异性元的弹性参数；
当cdi＝0时，粘土介质的弹性参数为
当0﹤cdi＜1时，
其中，cdi为粘土颗粒定向指数，为粘土颗粒各向异性元的弹性参数，Cv为粘土介质的弹性参数，为cdi＝0粘土颗粒完全随机分布时粘土介质的弹性参数。
9.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，所述求取页岩基质等效参数和页岩干岩石骨架等效参数包括：
当粘土矿物含量大于20％时，粘土作为页岩岩石的背景介质，脆性矿物和有机质的混合物作为包含物，采用各向异性微分等效介质模型分别计算页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数；
当粘土矿物含量小于20％时，以脆性矿物和有机质的混合物作为岩石的背景介质，粘土作为包含物，采用各向异性自洽模型和各向异性微分等效介质模型的联合模型分别计算页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数。
10.根据权利要求1所述的页岩各向异性岩石物理模型建模方法，其中，采用Brown-Korringa各向异性流体替换理论，基于页岩基质等效弹性参数和页岩干岩石骨架等效弹性参数得到流体饱和页岩等效弹性参数，从而完成流体饱和状态下页岩各向异性岩石物理模型的构建；
Brown-Korringa各向异性流体替换理论由下式给出：
其中，为页岩干岩石骨架等效弹性参数，为页岩孔隙流体饱和状态下的等效弹性参数，页岩基质等效弹性参数，βfl为孔隙流体可压缩性参数，β0为矿物可压缩性参数，φ为孔隙度。
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| PB01 | Publication | ||
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