CN111272631A - 一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，将不同类型的砂岩岩心进行样品制备，获取砂岩颗粒的大小、形状、组分、分布特征和孔隙结构特征信息。从形状、粒径大小、组分和分布特征多方面对砂岩颗粒进行模拟，使其最大程度符合自然界中的真实情况。依次进行砂岩颗粒的沉积作用、压实作用、成岩作用过程模拟，构建数字岩心。用主要的孔隙结构参数验证数字岩心的准确性，若满足精度要求，则认为构建的数字岩心准确，利用数字岩心进行砂岩储存孔隙结构的定量表征。否则，调整压实和成岩作用参数，重新构建数字岩心，直到满足进度要求。
Description
技术领域
本发明涉及岩土技术领域，具体是一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法。
背景技术
储层是石油、天然气在地下的储存、聚集场所，主要可分为砂岩储层和碳酸盐储层两种类型。砂岩储层中的孔隙和喉道是石油和天然气的储存空间和运移通道。储层中所具有孔隙和喉道的几何形状、大小、连通性、空间分布位置及孔隙与喉道的配置关系，统称为孔隙结构。对于孔隙结构的定量表征研究，不仅能使优质储层的预测更加准确，有利于油气勘探，还能定量描述油气渗流能力，对油气开发影响重大。
过程法是一种可以定量表征砂岩储层孔隙结构的数字岩心建模技术，通过模拟自然界中砂岩颗粒的沉积作用、压实作用和成岩作用过程重建数字岩心，实现对孔隙结构的定量表征。由于过程法的约束条件是从薄片或其他途径获得的砂岩颗粒信息数据，建模灵活性更强，且因过程法的模拟加入了地质因素，考虑了岩石的形成过程，使得储层岩石的各向异性和孔隙结构的表征更加准确。得到了国内外学者的广泛关注。
因过程法的约束条件是砂岩颗粒，在利用过程法进行数字岩心建模时，对岩石颗粒的准确模拟是过程法建模的基础工作，也是关键部分。只有实现对砂岩颗粒的准确模拟，才能进一步保证颗粒的沉积、压实、成岩作用模拟的准确性，最终实现孔隙结构的准确定量表征。自然界中砂岩颗粒的大小不一、形状复杂、组分多样。且这三方面特征都会对颗粒沉积、压实、成岩过程的模拟产生很大影响。颗粒大小和形状的差异性，会直接影响颗粒沉积形成的初始孔隙和喉道的几何形状、大小、连通性，进而影响压实过程中孔隙结构的变化。不同组分的颗粒，其抗压强度也有所不同，会直接影响压实作用过程中初始孔隙和喉道的保存。且颗粒中所含的不同组分，会在成岩过程中发生不同的成岩作用。如温度、湿度等条件适宜时，砂岩中长石会溶蚀扩大孔隙，石英会生长堵塞孔隙，直接影响储层中最终的孔隙结构特征。因此，模拟砂岩颗粒时，其大小、形状、组分特征的准确模拟缺一不可。
砂岩颗粒的大小、形状和组分信息，可通过薄片观察和粒度分析等途径获取。目前，过程法中对于砂岩颗粒的模拟主要关注点在颗粒形状和大小两方面。因自然界中砂岩颗粒的形状不规则，过程法中最初将现实中复杂形状的颗粒简化为球体(Bakke and
1997)，使得复杂问题简单化，实现了颗粒沉积、压实、成岩过程的模拟；后来又在球体模型的基础上，将颗粒形状改进为椭球体或其他形状规则的非球体(Coelho et al.，1997；
and Bakke，2003)，使得颗粒形状的模拟更加接近现实情况。近几年，中国学者朱伟将颗粒的模拟进一步改进为不规则形状(Zhu et al.，2012；朱伟，2017)，使得沉积、压实过程的模拟更加准确。以上方法中，都以颗粒的重心与最外层面之间的最大距离来定义颗粒的半径大小。
综上所述，前人在过程法中对于颗粒形状和大小的模拟取得了较多成果，却极少在颗粒模拟时加入组分特征。但砂岩的组分会直接影响储层的最终孔隙结构。只有将形状、大小和组分三种特征结合起来模拟砂岩颗粒，才能真正符合自然界中的实际情况，从而保证孔隙结构定量表征的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，包含以下步骤：
A、获取砂岩颗粒特征，包括其大小、形状、组分及分布特征；
B、砂岩颗粒的模拟，包括其大小、形状、组分及分布特征模拟；
C、沉积作用模拟；
D、压实作用模拟；
E、成岩作用模拟；
F、验证数字岩心模型的准确性；
G、定量表征砂岩储层孔隙结构特征。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤A具体是：从外观上观察，选取颗粒粗细不同的几块岩心进行样品制备，利用铸体薄片和粒度分析的方式获取样品中砂岩颗粒的大小、形状、组分及分布特征；利用高压压汞和CT扫描的手段获取样品的孔隙结构特征参数，用于验证模型的准确性。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B具体是：根据获取的颗粒大小、形状、组分及分布特征信息，进行砂岩颗粒的模拟。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤C具体是：首先预先设定一个立方体作为沉积球体下落的约束空间，随机选取一个颗粒半径为R的小球作为沉积对象，模拟该小球在立方体中的自由降落过程，直至小球降落到立方体的底面稳定后再进行下一个小球的降落，在进行后续小球的降落过程中，通过颗粒膨胀和收缩的方法，进行颗粒下降、滚动、判断稳定性的模拟，最终确定颗粒初始沉积的稳定位置。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤D具体是：在所有颗粒沉积结束后，开始模拟颗粒的压实作用，在实际的压实作用下，颗粒会发生移动、变形，从而导致颗粒重新排列并使孔隙空间变小，为了达到压实后颗粒重排和孔隙减小的效果，将所有沉积物颗粒的Z轴坐标减小来实现，在整个过程通过压实因子λ和颗粒重排因子ξ来控制压实程度和颗粒排列状态，具体的计算方法如下：z＝0.5λ(zmax-zmin)+z0(1-λ+ξ)，式中：z为砂岩颗粒在Z轴方向的新坐标，λ为控制压实作用的压实因子，一般取[0,1]，z0为砂岩颗粒在Z轴方向上压实前的初始坐标，ξ是岩石颗粒重排因子，一般取[-0.02,0.02]。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤E具体是：成岩作用主要包括石英颗粒的自生加大、溶蚀作用、胶代作用以及粘土矿物自生充填等，假设R0(r)为沉积颗粒的初始半径，R(r)为胶结物生长后沿着颗粒半径方向表面到球心的距离，用公式表示为：R(r)＝R0(r)+min(αl(r)γ,l(r))，式中：l(r)表示从原始颗粒表面沿着半径方向到发生自生加大后该颗粒表面的距离，α为控制胶结物的生长程度的参数，当α为正值时表示胶结物加大的正生长，当α为负值时表示溶烛作用或者异常高压左右形成的孔隙加大，指数γ表示胶结物的生长方向，γ>0时胶结物沿着孔隙体即l(r)增大的方向生长，γ<0时胶结物沿着喉道即l(r)减小的方向生长，当γ＝0时胶结物在各个方向上由中心向外均匀对称生长。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤F具体是：用步骤A中获取的主要孔隙结构特征参数(如孔隙度)，来验证数字岩心模型的准确性，当其主要参数的误差小于允许值，则认为构建的数字岩心达到标准，否则，调整压实作用和成岩作用相关参数重新构建模型。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤G具体是：给构建好的模型中输入不同特征的砂岩颗粒，即可构建出不同的数字岩心，通过砂岩数字岩心即可定量表征其孔隙结构特征。
作为本发明的进一步技术方案：所述步骤B分两步进行：一、颗粒的不规则形状及大小模拟：将半径为R的球体在任一方向拉伸成一个椭球体，使球体和椭球体中点吻合；在椭球面上任意设置N个切平面；切平面和椭球面所围合的最小空间即为不规则形状的颗粒，颗粒的重心与最外层面之间的最大距离即为颗粒的半径；二、颗粒组分模拟：砂岩的骨架成分主要包含石英、长石和岩屑三种，按照成分组成的不同，砂岩可分为石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩、长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩七种，因此砂岩颗粒确定为以上七种类型，假设以上每种类型的颗粒依次占比为P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7，且P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7＝1，对每个颗粒产生一个随机数P，若P∈[0,P1]，则该颗粒为石英砂岩颗粒；若P∈[P1,P1+P2]，则该颗粒为长石砂岩颗粒；若P∈[P1+P2,P1+P2+P3]，则该颗粒为岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3,P1+P2+P3+P4]，则该颗粒为长石石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4,P1+P2+P3+P4+P5]，则该颗粒为岩屑石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5,P1+P2+P3+P4+P5+P6]，则该颗粒为长石岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5+P6,1]，则该颗粒为岩屑长石砂岩颗粒；在以上两步的基础上，结合砂岩颗粒大小的分布特征，模拟出所有的砂岩颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将形状、大小和组分三种特征结合来模拟砂岩颗粒，可以有效提高砂岩储层孔隙结构定量表征的准确性。
附图说明
图1是本发明的识别流程图。
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。
实施例1：请参阅图1，一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，包含以下步骤：
A：从外观上观察，选取颗粒粗细不同的几块岩心进行样品制备，利用铸体薄片和粒度分析的方式获取样品中砂岩颗粒的大小、形状、组分及分布特征；利用高压压汞和CT扫描的手段获取样品的孔隙结构特征参数，用于验证模型的准确性。
B：根据获取的颗粒大小、形状、组分及分布特征等信息，进行砂岩颗粒的模拟。
C：颗粒沉积作用过程的模拟。
首先预先设定一个立方体作为沉积球体下落的约束空间，随机选取一个颗粒半径为R的小球作为沉积对象，模拟该小球在立方体中的自由降落过程。直至小球降落到立方体的底面稳定后再进行下一个小球的降落。在进行后续小球的降落过程中，通过颗粒膨胀(将已沉积颗粒的半径统一增大r，r为下一个沉积颗粒的有效半径)和收缩的方法，进行颗粒下降、滚动、判断稳定性的模拟，最终确定颗粒初始沉积的稳定位置。
D：颗粒压实作用过程的模拟。
在所有颗粒沉积结束后，开始模拟颗粒的压实作用。在实际的压实作用下，颗粒会发生移动、变形，从而导致颗粒重新排列并使孔隙空间变小。为了达到压实后颗粒重排和孔隙减小的效果，将所有沉积物颗粒的Z轴坐标减小(向下移动)来实现，在整个过程通过压实因子(λ)和颗粒重排因子(ξ)来控制压实程度和颗粒排列状态，具体的计算方法如下：
z＝0.5λ(zmax-zmin)+z0(1-λ+ξ)
式中：z为砂岩颗粒在Z轴方向的新坐标，λ为控制压实作用的压实因子，一般取[0,1]，z0为砂岩颗粒在Z轴方向上压实前的初始坐标，ξ是岩石颗粒重排因子，一般取[-0.02,0.02]。
E：颗粒成岩作用过程的模拟。
成岩作用主要包括石英颗粒的自生加大、溶蚀作用、胶代作用以及粘土矿物自生充填等。假设R0(r)为沉积颗粒的初始半径，R(r)为胶结物生长后沿着颗粒半径方向表面到球心的距离，用公式表示为：
R(r)＝R0(r)+min(αl(r)γ,l(r))
式中：l(r)表示从原始颗粒表面沿着半径方向到发生自生加大后该颗粒表面的距离，α为控制胶结物的生长程度的参数，当α为正值时表示胶结物加大的正生长，当α为负值时表示溶烛作用或者异常高压左右形成的孔隙加大。指数γ表示胶结物的生长方向，γ>0时胶结物沿着孔隙体即l(r)增大的方向生长，γ<0时胶结物沿着喉道即l(r)减小的方向生长，当γ＝0时胶结物在各个方向上由中心向外均匀对称生长。
F：验证数字岩心模型的准确性。
用步骤一中获取的主要孔隙结构特征参数(如孔隙度)，来验证数字岩心模型的准确性。当其主要参数的误差小于允许值，则认为构建的数字岩心达到标准。否则，调整压实作用和成岩作用相关参数重新构建模型。
G：定量表征砂岩储层孔隙结构特征。
给构建好的模型中输入不同特征的砂岩颗粒，即可构建出不同的数字岩心。通过砂岩数字岩心即可定量表征其孔隙结构特征。
实施例2：在实施例1的基础上，步骤B分两步进行：一、颗粒的不规则形状及大小模拟：将半径为R的球体在任一方向拉伸成一个椭球体，使球体和椭球体中点吻合；在椭球面上任意设置N个切平面；切平面和椭球面所围合的最小空间即为不规则形状的颗粒，颗粒的重心与最外层面之间的最大距离即为颗粒的半径；二、颗粒组分模拟：砂岩的骨架成分主要包含石英、长石和岩屑三种，按照成分组成的不同，砂岩可分为石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩、长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩七种，因此砂岩颗粒确定为以上七种类型，假设以上每种类型的颗粒依次占比为P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7，且P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7＝1，对每个颗粒产生一个随机数P，若P∈[0,P1]，则该颗粒为石英砂岩颗粒；若P∈[P1,P1+P2]，则该颗粒为长石砂岩颗粒；若P∈[P1+P2,P1+P2+P3]，则该颗粒为岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3,P1+P2+P3+P4]，则该颗粒为长石石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4,P1+P2+P3+P4+P5]，则该颗粒为岩屑石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5,P1+P2+P3+P4+P5+P6]，则该颗粒为长石岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5+P6,1]，则该颗粒为岩屑长石砂岩颗粒；在以上两步的基础上，结合砂岩颗粒大小的分布特征，模拟出所有的砂岩颗粒。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、获取砂岩颗粒特征，包括其大小、形状、组分及分布特征；
B、砂岩颗粒的模拟，包括其大小、形状、组分及分布特征模拟；
C、沉积作用模拟；
D、压实作用模拟；
E、成岩作用模拟；
F、验证数字岩心模型的准确性；
G、定量表征砂岩储层孔隙结构特征。
2.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤A具体是：从外观上观察，选取颗粒粗细不同的几块岩心进行样品制备，利用铸体薄片和粒度分析的方式获取样品中砂岩颗粒的大小、形状、组分及分布特征；利用高压压汞和CT扫描的手段获取样品的孔隙结构特征参数，用于验证模型的准确性。
3.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤B具体是：根据获取的颗粒大小、形状、组分及分布特征信息，进行砂岩颗粒的模拟。
4.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤C具体是：首先预先设定一个立方体作为沉积球体下落的约束空间，随机选取一个颗粒半径为R的小球作为沉积对象，模拟该小球在立方体中的自由降落过程，直至小球降落到立方体的底面稳定后再进行下一个小球的降落，在进行后续小球的降落过程中，通过颗粒膨胀和收缩的方法，进行颗粒下降、滚动、判断稳定性的模拟，最终确定颗粒初始沉积的稳定位置。
5.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤D具体是：在所有颗粒沉积结束后，开始模拟颗粒的压实作用，在实际的压实作用下，颗粒会发生移动、变形，从而导致颗粒重新排列并使孔隙空间变小，为了达到压实后颗粒重排和孔隙减小的效果，将所有沉积物颗粒的Z轴坐标减小来实现，在整个过程通过压实因子λ和颗粒重排因子ξ来控制压实程度和颗粒排列状态，具体的计算方法如下：z＝0.5λ(zmax-zmin)+z0(1-λ+ξ)，式中：z为砂岩颗粒在Z轴方向的新坐标，λ为控制压实作用的压实因子，一般取[0,1]，z0为砂岩颗粒在Z轴方向上压实前的初始坐标，ξ是岩石颗粒重排因子，一般取[-0.02,0.02]。
6.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤E具体是：成岩作用主要包括石英颗粒的自生加大、溶蚀作用、胶代作用以及粘土矿物自生充填，假设R0(r)为沉积颗粒的初始半径，R(r)为胶结物生长后沿着颗粒半径方向表面到球心的距离，用公式表示为：R(r)＝R0(r)+min(αl(r)γ,l(r))，式中：l(r)表示从原始颗粒表面沿着半径方向到发生自生加大后该颗粒表面的距离，α为控制胶结物的生长程度的参数，当α为正值时表示胶结物加大的正生长，当α为负值时表示溶烛作用或者异常高压左右形成的孔隙加大，指数γ表示胶结物的生长方向，γ>0时胶结物沿着孔隙体即l(r)增大的方向生长，γ<0时胶结物沿着喉道即l(r)减小的方向生长，当γ＝0时胶结物在各个方向上由中心向外均匀对称生长。
7.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤F具体是：用步骤A中获取的主要孔隙结构特征参数(如孔隙度)，来验证数字岩心模型的准确性，当其主要参数的误差小于允许值，则认为构建的数字岩心达到标准，否则，调整压实作用和成岩作用相关参数重新构建模型。
8.根据权利要求1所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤G具体是：给构建好的模型中输入不同特征的砂岩颗粒，即可构建出不同的数字岩心，通过砂岩数字岩心即可定量表征其孔隙结构特征。
9.根据权利要求3所述的一种改进的砂岩储层孔隙结构定量表征方法，其特征在于，所述步骤B分两步进行：一、颗粒的不规则形状及大小模拟：将半径为R的球体在任一方向拉伸成一个椭球体，使球体和椭球体中点吻合；在椭球面上任意设置N个切平面；切平面和椭球面所围合的最小空间即为不规则形状的颗粒，颗粒的重心与最外层面之间的最大距离即为颗粒的半径；二、颗粒组分模拟：砂岩的骨架成分主要包含石英、长石和岩屑三种，按照成分组成的不同，砂岩可分为石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩、长石石英砂岩、岩屑石英砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩七种，因此砂岩颗粒确定为以上七种类型，假设以上每种类型的颗粒依次占比为P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7，且P1+P2+P3+P4+P5+P6+P7＝1，对每个颗粒产生一个随机数P，若P∈[0,P1]，则该颗粒为石英砂岩颗粒；若P∈[P1,P1+P2]，则该颗粒为长石砂岩颗粒；若P∈[P1+P2,P1+P2+P3]，则该颗粒为岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3,P1+P2+P3+P4]，则该颗粒为长石石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4,P1+P2+P3+P4+P5]，则该颗粒为岩屑石英砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5,P1+P2+P3+P4+P5+P6]，则该颗粒为长石岩屑砂岩颗粒；若P∈[P1+P2+P3+P4+P5+P6,1]，则该颗粒为岩屑长石砂岩颗粒；在以上两步的基础上，结合砂岩颗粒大小的分布特征，模拟出所有的砂岩颗粒。
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