CN113033114B - 一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，包括：S1、确定拟模拟的储层的成岩环境、化学系统、矿物组分和组构、地层水化学性质；S2、选取与步骤S1中模拟条件相符的多个矿物动力学参数；S3、应用全因子试验法，将各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，形成多组水岩反应数值模拟矿物动力学组合的备选方案；S4、针对备选方案进行数值模拟计算，将模拟结果与实测结果进行比对，综合评价各个备选方案；S5、对比备选方案的评价结果，确定水岩反应模拟中最优矿物动力学参数组合。本发明全面均衡考虑了矿物之间的交互作用，通过综合评价矿物动力学组合备选方案选取最优矿物动力学参数组合，提高了成岩数值模拟计算的准确度与科学性。

Description

一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法
技术领域
本发明涉及储层的成岩作用数值模拟计算技术领域，具体涉及一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法。
背景技术
储层水岩反应贯穿于整个成岩过程，成岩数值模拟能够定量地重现地质历史时期储层成岩演化过程，它考虑了构造演化、沉积成岩环境、温压条件、流体系统、岩石-流体相互作用等因素，是重塑成岩演化历史的技术方法。它不仅能够解决不同成岩作用时间跨度和空间尺度上的成岩阶段演化的问题，而且能够对某一特定地质时刻的成岩过程进行再现，揭示成岩矿物相互作用机制和储层孔隙度演化规律，成为储集层评价和预测的有效技术。
成岩数值模拟中液相组分中的反应及矿物和流体间的相互反应由局部平衡控制或动力学速率控制，矿物动力学参数的选择影响着数值模拟的计算结果。因此，在数值模拟计算中，矿物动力学参数的选择尤为重要。目前，由于成岩过程中水岩反应复杂以及成岩环境多样，有学者根据实验获得了多套动力学参数，但是由于动力学参数获得的实验条件以及实验方法不同，导致所测得的动力学参数截然不同。因此如何选择动力学参数是数值模拟计算需要解决的关键问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，为储层成岩作用数值模拟中矿物动力学参数的选择提供思路，可以更精确地模拟计算储层成岩过程中的矿物溶解、转化和沉淀反应，从而提高成岩数值模拟计算的准确度与科学性。
本发明提出一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，所述方法主要包括以下步骤：
S1、确定拟模拟的储层的成岩环境、化学系统、矿物组分和组构、地层水化学性质；
S2、基于矿物动力学参数数据库，考虑各参数获取实验对应的条件，选取并收集与步骤S1中模拟条件相符的多个矿物动力学参数；
S3、应用全因子试验法，将各个所述矿物动力学参数进行全面交叉组合，形成多组水岩反应数值模拟矿物动力学组合的备选方案；
S4、针对所述备选方案进行数值模拟计算，将模拟结果与地质实测或实验室实测结果进行比对，综合评价各个备选方案；
S5、对比所述备选方案的评价结果，确定水岩反应模拟中最优矿物动力学参数组合。
根据本发明的一种实施方式，所述步骤S2中，还包括：
对于实验室测得的矿物动力学参数进行回归，拟合得到25℃±1℃、pH中性条件下的矿物动力学参数。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S4中，将水岩反应模拟结果与实测结果对比包括离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率中的一个或多个数值的对比。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S4中，所述综合评价的步骤如下：
(1)建立评价关于离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率的子目标集U:
U＝(U1，U2，…，US)；
(2)建立子目标权重分配集A：
A＝(A1，A2，…，As)
且满足条件0<Ai≤1，
Figure BDA0002961470610000021
(3)各子目标Ui受各指标ui1，ui2，…，uik的影响，则指标集ui为：ui＝(ui1，ui2，…，uik)，(i＝1，2，…，s)；
(4)确定各指标ui的权重分配集wi:wi＝(wi1，wi2，…，wik)，(i＝1，2，…，s)；
(5)建立评价集合，评价集合为成岩模拟结果与实测结果的偏差值v:v＝(v1，v2，…，vj)；
(6)指标ui对抉择等级vj的隶属度rij，其通过隶属函数计算得到，指标ui的单因素评价集ri是抉择评价集合v上的模糊子集，ri＝{ri1，ri2，…，rin}；
综合各指标的单因素评价集ri得到总的评价矩阵Ri:
Figure BDA0002961470610000022
(7)求得各子目标的综合评价向量Bi：
Bi＝wi·Ri，(i＝1，2，…，s)；
(8)形成子目标评价矩阵B＝(B1，B2，…，Bs)T；
(9)求总目标评价向量C：
C＝A·B。
根据本发明的一种实施方式，通过隶属函数计算时，选择近似正态分布函数的隶属度计算方法。
根据本发明的一种实施方式，所述近似正态分布函数的隶属度的计算方法如下：
Figure BDA0002961470610000031
式中：uv—隶属函数，无因次；d—评判参数的具体值；a，b—无因次评价指标等级参数，无因次，其中，
a＝(d1+d2)/2
Figure BDA0002961470610000032
d1，d2—评价集合区间的上、下限值。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S5中，所述评价结果是将模糊综合评价矩阵转化为模糊综合评价得分，分数越高，表示模拟结果与实际结果最为相符，矿物动力学参数组合最优；所述评价结果的计算公式如下：
Figure BDA0002961470610000033
根据本发明的一种实施方式，所述评价集合根据偏差值范围均分为四个等级，共“Ⅰ”，“Ⅱ”，“Ⅲ”，“Ⅳ”四类等级，该四种评价等级vⅠ，vⅡ，vⅢ，vⅣ对应的分数分别为100，75，50，25。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S1中，确定成岩环境是根据岩石薄片鉴定、流体包裹体分析、同位素测试、阴极发光测试手段确定储层在某一阶段的成岩流体组分、成岩温度、成岩压力以及成岩矿物组分。
根据本发明的一种实施方式，进行所述数值模拟采用可用于成岩作用计算的多相流反应溶质运移模拟软件TOUGHREACT、TOUGHSTONE计算。
本发明上述技术方案考虑到了矿物动力学数据由于实验方法和材料不同，实验所测得矿物动力学数据并不是唯一的。根据储层的成岩环境、矿物组分和组构和地层水化学性质对照实验的条件和材料，选取矿物动力学数据可在一定程度更精确模拟计算储层成岩过程中的矿物溶解和沉淀。
各个矿物之间通过离子作为联系，相互作用，相互关联。本发明采用全因子试验法对各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，全面均衡考虑了矿物之间的交互作用。同时对矿物动力学组合进行数值模拟结算，根据水岩反应数值模拟结果，综合评价矿物动力学组合备选方案选取最优矿物动力学参数组合，提高了成岩数值模拟计算的准确度与科学性。
附图说明
图1为本发明一实施例储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
如图1所示，本发明一实施方式的一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，所述参数选择方法主要包括以下步骤：
(1)确定拟模拟的储层成岩环境、化学系统、矿物组分和组构、地层水化学性质；
(2)基于矿物动力学参数数据库，考虑各参数获取实验对应的条件，选取并收集与步骤(1)中模拟条件相符的多个矿物动力学参数；
(3)应用全因子试验法，将各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，形成多组水岩反应数值模拟矿物动力学组合的备选方案；
(4)针对备选方案进行数值模拟计算，将模拟结果与地质实测或实验室实测结果进行比对，综合评价各个备选方案；
(5)对比备选方案的评价结果，确定水岩反应模拟中最优矿物动力学参数组合。
本发明上述技术方案考虑到了矿物动力学数据由于实验方法和材料不同，实验所测得矿物动力学数据并不是唯一的。根据储层的成岩环境、矿物组分和组构和地层水化学性质对照实验的条件和材料，选取矿物动力学数据可在一定程度更精确模拟计算储层成岩过程中的矿物溶解和沉淀。
各个矿物之间通过离子作为联系，相互作用，相互关联。本发明采用全因子试验法对各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，全面均衡考虑了矿物之间的交互作用。同时对矿物动力学组合进行数值模拟结算，根据水岩反应数值模拟结果，综合评价矿物动力学组合备选方案选取最优矿物动力学参数组合，提高了成岩数值模拟计算的准确度与科学性。
进一步的，在步骤(1)中，确定成岩环境是基于根据岩石薄片鉴定、流体包裹体分析、同位素测试、阴极发光测试等手段确定储层在某一阶段的成岩流体组分、成岩温度、成岩压力以及成岩矿物组分。
进一步的，在步骤(2)中，大多数数值模拟软件中的矿物动力学参数是在25℃、pH中性条件下的矿物动力学参数，而实验室测得的矿物动力学参数大多数是在高温，酸性条件下，因此对于实验室测得的矿物动力学参数需要进行回归，拟合得到25℃±1℃、pH中性条件下的矿物动力学参数。
进一步的，在步骤(4)中，使用的数值模拟计算工具是可用于成岩作用计算的多相流反应溶质运移模拟软件TOUGHREACT、TOUGHSTONE等。
进一步的，在步骤(4)水岩反应模拟结果与实测结果对比主要包含离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率中的一个或多个数值的对比。
进一步的，在步骤(4)中所述综合评价步骤如下：
1)建立评价关于离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率的子目标集U:
U＝(U1，U2，…，US)；
2)建立子目标权重分配集A：
A＝(A1，A2，…，As)
且满足条件0<Ai≤1，
Figure BDA0002961470610000051
3)各子目标Ui受各指标ui1，ui2，…，uik的影响，则指标集ui为ui＝(ui1，ui2，…，uik)(i＝1，2，…，s)；
4)确定各指标ui的权重分配集wi:wi＝(wi1，wi2，…，wik)，(i＝1，2，…，s)；
5)建立评价集合，评价集合为成岩模拟结果与实测结果的偏差值v:v＝(v1，v2，…，vj)，根据偏差值范围均分为4个等级，共“Ⅰ”，“Ⅱ”，“Ⅲ”，“Ⅳ”4类等级；
6)则指标ui对抉择等级vj的隶属度rij，其是通过隶属函数计算得到，这里选择近似正态分布函数的隶属度计算方法，这样指标ui的单因素评价集ri，即ri是抉择评价集合v上的模糊子集，ri＝{ri1，ri2，…，rin}，
这样，综合各指标的单因素评价集ri就得到一个总的评价矩阵Ri:
Figure BDA0002961470610000052
7)求得各子目标的综合评价向量Bi：
Bi＝wi·Ri(i＝1，2，…，s)；
8)形成子目标评价矩阵B＝(B1，B2，…，Bs)T；
9)求总目标评价向量C
C＝A·B。
进一步的，综合评价步骤中近似正态分布函数的隶属度值计算步骤如下：
Figure BDA0002961470610000061
式中：uv—隶属函数，无因次；d—评判参数的具体值；a，b—无因次评价指标等级参数，无因次。
a＝(d1+d2)/2
Figure BDA0002961470610000062
d1，d2—评价区间的上，下限值。
进一步的，在步骤(5)中所述评价结果是将模糊综合评价矩阵转化为模糊综合评价得分，分数越高，表示模拟结果与实际结果最为相符，矿物动力学参数组合最优；计算公式如下：
Figure BDA0002961470610000063
其中，vⅠ，vⅡ，vⅢ，vⅣ评价等级对应的分数分别为100，75，50，25。
本发明的一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法优点主要体现在如下：
考虑到了矿物动力学数据由于实验方法和材料不同，实验所测得矿物动力学数据并不是唯一的。根据储层的成岩环境、矿物组分和组构和地层水化学性质对照实验的条件和材料，选取矿物动力学数据可在一定程度更精确模拟计算储层成岩过程中的矿物溶解和沉淀。
各个矿物之间通过离子作为联系，相互作用，相互关联。采用全因子试验法对各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，全面均衡考虑了矿物之间的交互作用。同时对矿物动力学组合进行数值模拟结算，根据水岩反应数值模拟结果，综合评价矿物动力学组合备选方案选取最优矿物动力学参数组合，提高了成岩数值模拟计算的准确度与科学性。
实施例
以基于模拟新疆塔里木盆地塔中北坡奥陶系碳酸盐岩储层中-深埋藏阶段热液改造储层的白云石化作用室内实验为实例，进一步阐明一种储层成岩模拟中矿物动力学参数的优选方法。
(1)确定拟模拟的储层成岩环境、化学系统、矿物组分和组构、地层水化学性质；
根据岩石薄片鉴定、流体包裹体分析、同位素测试、阴极发光测试等手段确定室内试验中碳酸盐岩的初始矿物为100％方解石。反应溶液是利用蒸馏水、CaCl2·2H2O、MgCl2·6H2O、NaCl和KCl配制。HCO3 -不稳定，无法直接配制，故向加入配置好的地层水的容器中通入CO2，使CO2与水反应生成的H2CO3。
表1.实验反应前后离子浓度
Figure BDA0002961470610000071
(2)基于矿物动力学参数数据库，考虑各参数获取实验对应的条件，选取并收集与步骤(1)中模拟条件相符的多个矿物动力学参数；
表2.矿物动力学参数
Figure BDA0002961470610000072
(3)应用全因子试验法，将各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，形成多组成岩数值模拟矿物动力学组合备选方案；
表3.矿物动力学组合备选方案
Figure BDA0002961470610000073
(4)针对备选方案进行数值模拟计算，将模拟结果与地质实测或实验室实测结果进行比对，综合评价各个备选方案；
表4.白云石化作用模拟结果
Figure BDA0002961470610000081
由于室内试验时间尺度较小，矿物含量、孔隙度和渗透率变化小，故评价子目标U仅为溶液反应前后离子浓度，权重A为1。同时由于该实验主要为白云石化作用，参与的离子主要为Mg2+和Ca2+，Na+、K+、Cl-浓度几乎没变化，HCO3 -不稳定难以测得，故以Mg2+和Ca2+为指标u。
将成岩模拟结果与实测结果做偏差，值根据偏差的绝对值范围均分为4个等级，共“Ⅰ”，“Ⅱ”，“Ⅲ”，“Ⅳ”4类等级。
表5.指标分区间评价等级
Figure BDA0002961470610000082
表6.各指标的权重
指标 Mg<sup>2+</sup> Ca<sup>2+</sup>
权重 0.5 0.5
即wi＝[0.5 0.5]
根据近似正态分布隶属函数的计算方法得到各指标的单因素评价集ri，综合各指标的单因素评价集ri就得到一个总的评价矩阵Ri:
Figure BDA0002961470610000083
将各指标的权重与总的评价矩阵Ri进行复合，得到多因素的综合评价矩阵，
Cj＝Bi＝wi·Ri＝[0.0083 0.1513 0.3606 0.0034]
根据最大隶属度原则，实施方案的综合评价结果属于“Ⅲ”评价结果，按照公式
Figure BDA0002961470610000091
将模糊综合评价矩阵转化为模糊综合评价得分为30.29。
同理得到方案2的模糊综合评价得分为15.34，方案3的模糊综合评价得分为37.85，故最优成岩模拟矿物动力学参数组合应选择方案3。
本发明根据储层的成岩环境、矿物组分和组构和地层水化学性质对照实验的条件和材料，选取矿物动力学数据可在一定程度更精确模拟计算储层成岩过程中的矿物溶解和沉淀。本发明中，因各个矿物之间通过离子作为联系，相互作用，相互关联，故采用全因子试验法对各个矿物动力学参数进行全面交叉组合，全面均衡考虑了矿物之间的交互作用。本发明同时对矿物动力学组合进行数值模拟结算，根据水岩反应数值模拟结果，综合评价矿物动力学组合备选方案选取最优矿物动力学参数组合，提高了成岩数值模拟计算的准确度与科学性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述各实施例仅用于说明本发明，各实施方式都可根据需要进行组合或删减，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所述的这些实施例，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、确定拟模拟的储层的成岩环境、化学系统、矿物组构、地层水化学性质；
S2、基于矿物动力学参数数据库，考虑各参数获取实验对应的条件，选取与步骤S1中模拟条件相符的多个矿物动力学参数；
S3、应用全因子试验法，将各个所述矿物动力学参数进行全面交叉组合，形成多组水岩反应数值模拟矿物动力学组合的备选方案；
S4、针对所述备选方案进行数值模拟计算，将模拟结果与地质实测或实验室实测结果进行比对，综合评价各个备选方案；
S5、对比所述备选方案的评价结果，确定水岩反应模拟中最优矿物动力学参数组合。
2.根据权利要求1所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，所述步骤S2中，还包括：
对于实验室测得的矿物动力学参数进行回归，拟合得到25℃±1℃、pH中性条件下的矿物动力学参数。
3.根据权利要求1或2所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，在步骤S4中，将水岩反应模拟结果与实测结果对比包括离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率中的一个或多个数值的对比。
4.根据权利要求3所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，在步骤S4中，所述综合评价的步骤如下：
(1)建立评价关于离子浓度、矿物含量、孔隙度和渗透率的子目标集U:
U＝(U1，U2，…，US)；
(2)建立子目标权重分配集A：
A＝(A1，A2，…，As)
且满足条件0<Ai≤1，
Figure FDA0003358969680000011
(3)各子目标Ui受各指标ui1，ui2，…，uik的影响，则指标集ui为：ui＝(ui1，ui2，…，uik)；
(4)确定各指标ui的权重分配集wi:wi＝(wi1，wi2，…，wik)；
(5)建立评价集合，评价集合为成岩模拟结果与实测结果的偏差值v:v＝(v1，v2，…，vj)；
(6)指标ui对抉择等级vj的隶属度rij，其通过隶属函数计算得到，指标ui的单因素评价集ri是抉择评价集合v上的模糊子集，ri＝{ri1，ri2，…，rin}；
综合各指标的单因素评价集ri得到总的评价矩阵Ri:
Figure FDA0003358969680000021
(7)求得各子目标的综合评价向量Bi：
Bi＝wi·Ri；
(8)形成子目标评价矩阵B＝(B1，B2，…，Bs)T；
(9)求总目标评价向量C：
C＝A·B。
5.根据权利要求4所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，通过隶属函数计算时，选择近似正态分布函数的隶属度计算方法。
6.根据权利要求5所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，所述近似正态分布函数的隶属度的计算方法如下：
Figure FDA0003358969680000022
式中：uv—隶属函数，无因次；d—评判参数的具体值；a，b—无因次评价指标等级参数，无因次，其中，
a＝(d1+d2)/2
Figure FDA0003358969680000023
d1，d2—评价集合区间的上、下限值。
7.根据权利要求4至6任一项所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，在步骤S5中，所述评价结果是将模糊综合评价矩阵转化为模糊综合评价得分，分数越高，表示模拟结果与实际结果最为相符，矿物动力学参数组合最优；所述评价结果的计算公式如下：
Figure FDA0003358969680000031
Cj为综合评价矩阵，vj为评价等级对应的分数。
8.根据权利要求4至6任一项所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，所述评价集合根据偏差值范围均分为四个等级，共“Ⅰ”，“Ⅱ”，“Ⅲ”，“Ⅳ”四个等级，该四个等级对应四种评价等级，四种评价等级vⅠ，vⅡ，vⅢ，vⅣ对应的分数分别为100，75，50，25。
9.根据权利要求1或2或4至6任一项所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，在步骤S1中，确定成岩环境是根据岩石薄片鉴定、流体包裹体分析、同位素测试、阴极发光测试手段确定储层在某一阶段的成岩流体组分、成岩温度、成岩压力以及成岩矿物组分。
10.根据权利要求1或2或4至6任一项所述的储层水岩反应模拟中矿物动力学参数的优选方法，其特征在于，进行所述数值模拟采用可用于成岩作用计算的多相流反应溶质运移模拟软件TOUGHREACT、TOUGHSTONE计算。
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