CN113608260B - 砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，包括以下步骤：步骤S1、构建砂岩构造压实减孔数学模型，并分析构造压实过程得出所述砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数；步骤S2、基于所述砂岩构造压实减孔数学模型开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，并针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价。本发明实现砂岩储层早期构造压实减孔过程的分期评价和动态评价，评价精度高，同时利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，可保证选取的目标研究层岩性特征代表性精度高以及研究普遍性强。

Description

砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法

技术领域

本发明涉及岩层分析技术领域，具体涉及砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法。

背景技术

随着油气勘探事业的发展，勘探中心逐渐由浅到深转移。深层油气资源已成为我国油气勘探的重要领域，其中，碎屑岩油气资源潜力巨大。储层质量是制约深层碎屑岩油气勘探的关键因素之一，机械压实作用是造碎屑岩储层孔渗降低的重要原因。对于重力主导的垂向埋藏压实而言，一般可以简化为单轴压缩的情况，无论物理模拟还是数值模拟，都比较容易实现。在构造挤压情况下侧向挤压应力很大，地层处于一种三维压实状态，情况就变得非常复杂。中国尤其中国西北部叠合盆地众多,其形成演化受到多期构造作用制约。因此，在多期构造挤压背景下，胶结作用发生前的早期构造压实减孔程度便成为砂岩储层评价和预测研究的重要内容。

目前，砂岩构造压实减孔程度定量评价方法主要是岩石薄片镜下鉴定与统计方法，即在偏光显微镜下统计不同构造位置砂岩储层现今孔隙度，并将构造挤压强烈和微弱的地区进行对比，从而求取构造压实减孔程度。然而，该静态统计方法定量评价多期构造压实减孔幅度时存在一些问题。例如：(1)镜下统计的孔隙度只是一个静态的结果，不能反映多期构造活动背景下垂向和侧向双重压实效应的耦合过程；(2)这种静态对比评价方法更适合于一期构造挤压运动的情况，但对于多期构造挤压，该方法无法区分每一期构造压实分别对应多大幅度的孔隙度减少量；(3)在选取目标研究层时主要依靠人为经验进行选取，选取的目标研究层岩性特征代表性精度低，难以保证研究普遍性。

发明内容

本发明的目的在于提供砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，以解决现有技术中不能反映多期构造活动背景下垂向和侧向双重压实效应的耦合过程，无法区分每一期构造压实分别对应多大幅度的孔隙度减少量，以及在选取目标研究层时主要依靠人为经验进行选取，选取的目标研究层岩性特征代表性精度低，难以保证研究普遍性的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，包括以下步骤：

步骤S1、构建砂岩构造压实减孔数学模型，并分析构造压实过程得出所述砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数；

步骤S2、基于所述砂岩构造压实减孔数学模型开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，并针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，构建砂岩构造压实减孔数学模型的具体方法包括：

对砂岩储层中的目标研究层分别进行垂直和水平方向的受力分析，并基于所述受力分析结果计算得出目标研究层的三维合力，所述三维合力公式为：

其中，F_α为目标研究层位于α方向的三维合力，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆岩层压力，F_H、F_h分别为目标研究层位于水平方向的最大主应力、最小主应力；

基于三维有效应力定理求取目标研究层位于α方向的有效应力，所述三维有效应力定理公式为：

F_α＝σ_eα+P_f，

其中，σ_eα为目标研究层α方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

利用所述三维合力公式和三维有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，并利用所述目标研究层α方向的有效应力σ_eα对所述孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，所述孔隙度和有效应力的三维关系模型为

具体的：

利用所述三维合力公式和三维有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，可得：

利用所述目标研究层α方向的有效应力σ_eα对所述孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，可得：

其中，

为目标研究层的三维关系模型的孔隙度，

为目标研究层的三维关系模型的初始孔隙度，d为指数项系数，exp为e指数运算函数。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，所述关键参数为指数项系数d，获得指数项系数d的具体方法包括：

基于单井综合柱状图在垂向重力压实占主导的地区选取砂岩储层的目标研究层，并利用孔隙度解释模型获得目标研究层的孔隙度和埋藏深度的拟合系数以及目标研究层的初始孔隙度构建孔隙度和埋藏深度的一维关系模型，所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型为：

其中，

为目标研究层的一维关系模型的孔隙度，

为目标研究层的一维关系模型的初始孔隙度，c为一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数，h为目标研究层的埋藏深度；

构建目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型，所述上覆地层压力和埋藏深度的关系模型为：

其中，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆地层压力，ρ为目标研究层的密度，g为重力加速度；

利用所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型和所述目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型求解得出指数项系数d，具体的：

基于所述孔隙度和有效应力的三维关系模型为

获得目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

利用目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

与所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型

联立，可得：

-ch＝-dσ_ev；

基于所述目标研究层位于α方向的三维合力的三维有效力定理公式F_α＝σ_eα+P_f获得目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f，利用目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f与所述目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

联立，可得：

其中，σ_ev为目标研究层垂直方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

联立-ch＝-dσ_ev和

可得：

利用所述一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数c、目标研究层的埋藏深度h和目标研究层的孔隙流体压力P_f的已知取值带入

求解出指数项系数d。

作为本发明的一种优选方案，步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法包括：

步骤S201、构造所述目标研究层的挤压时期，具体的：

基于目标研究层的地震剖面解释明确所述目标研究层构造样式与几何学特征，并结合不整合面分析、分层数据和地层年代表确定目标研究层在不同地质时期发生构造挤压的时间节点；

步骤S202、构造所述目标研究层的挤压应力，具体的：

分析所述目标研究层的挤压时期的水平主应力：选取目标研究层的砂岩岩心样品，利用声发射法测量相关参数，得出砂岩岩心样品所在位置处的不同所述挤压时期的水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h；

分析所述水平主应力的垂向分布特征：依据所述水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h随所述埋藏深度h的变化规律构建最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型用以表征所述水平主应力的垂向分布特征。

作为本发明的一种优选方案，构建所述最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型的具体方法包括：

构建所述最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h关系模型，所述最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h关系模型分别为：

F_H＝A_H*h+B_H，

F_h＝A_h*h+B_h，

其中，A_H、A_h分别为最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h线性系数，B_H、B_h分别为研究目标层的埋藏深度h＝0处的最大主应力F_H、最小主应力F_h；

利用所述水平主应力合力σ_h与所述最大主应力F_H、最小主应力F_h的受力分析模型σ_h ²＝F_H ²+F_h ²，求得所述水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型：

其中，A_σ为所述水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h线性系数，

为研究目标层的埋藏深度h＝0处的所述水平主应力合力σ_h；

利用目标研究层的所述水平主应力合力σ_h、所述上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

对所述砂岩构造压实减孔数学模型

进行深度域改造，可得：

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法还包括：

利用盆地模拟软件恢复目标研究层顶、底界面的埋藏史和热史，确定65℃等温线与目标研究层中部地层的交点作为砂岩孔隙发生胶结作用前后的界限；

模拟目标研究层顶、底面砂岩不受构造挤压作用的正常压实条件下的孔隙度演化过程，并模拟目标研究层顶、底面砂岩在未发生胶结作用前受到构造挤压作用条件下的双重压实孔隙度演化过程，以确定出整个目标研究层砂岩在双重压实过程中的孔隙度变化范围；

将单井砂岩样品粒间统计结果投影到目标研究层砂岩孔隙度演化图，验证并调整所述砂岩构造压实减孔数学模型的合理性，具体的：

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果一致或比较接近，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建合理；

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果差别较大，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建不合理，需要检查并调整砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数至砂岩构造压实减孔数学模型恢复合理。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价的具体方法包括：

利用合理的所述砂岩构造压实减孔数学模型对目标研究层在每个挤压时期的砂岩胶结作用前的孔隙度进行定量计算以实现对构造压实减孔程度进行定量评价。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S1中，利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，具体方法包括：

步骤一：基于单井综合柱状图将砂岩储层按预设规格分割成多个研究层，并依次获取多个研究层的岩性状态数据；

步骤二：基于所述岩性状态数据将所有研究层分别量化为单个研究集群x_y＝{a_y1，a_y2，...，a_ym}，其中x_y表示研究层y的岩性状态数据的集合，

表示研究层y的岩性状态数据的第z₁项，z₁∈[1，m]，y∈[1，n]，m为岩性状态数据的总项目数，n为研究层的总数目；

步骤三：依次计算两研究集群的特征相似性，并基于最大特征相似性进行集群融合归一，所述研究集群的特征相似性为两研究集群中特征相似性最大的一对研究层之间特征的相似性，所述特征相似性用果瓦系数进行度量：

其中，

为研究层y₁和研究层y₂的果瓦系数，

为研究层y₁和研究层y₂在

和

上的取值，

和

分别表示研究层y₁、y₂的岩性状态数据的第k₁项，

为加权变量，k₁∈[1，m]，y₁，y₂∈[1，n]；

步骤四：重复步骤三直至步骤三中的研究集群总数目是步骤二中研究集群总数目的10％停止集群融合，并在步骤三中的研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层。

作为本发明的一种优选方案，在所述步骤三中的研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层的具体方法包括：

依次统计所述步骤三中所有研究集群包含的研究层的数量，保留包含研究层数目最多的研究集群用于选取所述目标研究层；

量化包含研究层数目最多的研究集群的所有研究层两两之间的岩性距离，所述岩性距离用欧式距离度量，所述欧式距离的计算公式为：

其中，

为研究层y₁和研究层y₂的欧式距离，n2表示包含研究层数目最多的研究集群中研究层的总数目；

设置岩性距离阈值，基于所述岩性距离阈值选取出所述目标研究层。

作为本发明的一种优选方案，基于所述岩性距离阈值选取目标研究层的具体方法包括：

依次统计包含研究层数目最多的研究集群中每个研究层与其余研究层的岩性距离低于岩性距离阈值的数目，并将岩性距离低于岩性距离阈值的数目最大值对应的研究层作为目标研究层。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明利用通过构建砂岩构造压实减孔数学模型和分析控制构造压实过程的关键参数，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，能够针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价，可以实现砂岩储层早期构造压实减孔过程的分期评价和动态评价，评价精度高，同时利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，可保证选取的目标研究层岩性特征代表性精度高以及研究普遍性强，最终使得构造压实减孔程度的定量评价的精度高以及代表性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的多期构造压实减孔程度定量评价方法流程图；

图2为本发明实施例提供的砂岩压实作用及地应力三维分布示意图；

图2(a)为本发明实施例提供的砂岩压实作用示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的地应力三维分布示意图；

图3为本发明实施例提供的玛东地区南部微弱构造挤压区典型井浅层压实减孔趋势曲线示意图；

图3(a)为本发明实施例提供的D18井深度域压实趋势曲线示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的YT1井深度域压实趋势曲线示意图；

图3(c)为本发明实施例提供的D18井应力域压实趋势曲线示意图；

图3(d)为本发明实施例提供的达YT1井应力域压实趋势曲线示意图

图4为本发明实施例提供的玛东地区地震不整合及其地质时代对应关系示意图；

图5为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组砂岩胶结作用发生前的压实减孔范围模拟结果示意图；

图5(a)为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组砂岩胶结作用发生前的早期埋藏史示意图；

图5(b)为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组砂岩胶结作用发生前的孔隙度演化史示意图；

图6为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组中部地层砂岩胶结作用发生前构造压实减孔程度定量评价示意图；

图6(a)为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组中部地层砂岩胶结作用发生前的早期埋藏史示意图；

图6(b)为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组中部地层砂岩胶结作用发生前的总有效应力演化史示意图；

图6(c)为本发明实施例提供的MD3井下乌尔禾组中部地层砂岩胶结作用发生前不同时期构造压实减孔评价结果示意图。

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。

本实施方式中将结合东营市科学发展基金项目(DJ2020007)对前述技术方案做具体的陈述。如图1至图6所示，本发明提供了砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，包括以下步骤：

步骤S1、构建砂岩构造压实减孔数学模型，并分析构造压实过程得出砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数；

步骤S1中，构建砂岩构造压实减孔数学模型的具体方法包括：

如图2，对砂岩储层中的目标研究层分别进行垂直和水平方向的受力分析，垂直方向的受力为目标研究层的上覆岩层压力F_v，水平方向的受力为目标研究层最大主应力F_H、最小主应力F_h，最大主应力F_H、最小主应力F_h在水平方向上可构建为水平主应力合力σ_h，

而水平主应力合力σ_h和上覆岩层压力F_v在三维空间中可构建为目标研究层的三维合力F_α，

并基于受力分析结果计算得出目标研究层的三维合力，三维合力公式为：

其中，F_α为目标研究层位于α方向的三维合力，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆岩层压力，F_H、F_h分别为目标研究层位于水平方向的最大主应力、最小主应力；

基于三维有效应力定理求取目标研究层位于α方向的有效应力，三维有效应力定理公式为：

F_α＝σ_eα+P_f，

一维有效应力定理认为上覆岩层压力是由孔隙流体压力与垂向有效应力两部分组成的，则有效应力定理公式为F_v＝σ_ev+P_f，式中：F_v为上覆地层压力(静岩压力，即垂向地应力)，σ_ev为垂直方向的有效应力，p_f为孔隙流体压力，上述压实模型只考虑了垂向应力对地层压实的影响，能在构造挤压非常弱的地区取得良好应用效果，但不适合于构造挤压环境下的碎屑岩压实减孔程度的计算。为了展现构造挤压作用的影响、提升压实减孔预测精度，需要将两个侧向地应力考虑进去，即利用上覆岩层压力F_v，最大主应力F_H、最小主应力F_h的三维合力F_α来代替垂直方向的上覆岩层压力，因此，垂直方向的有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f拓展为α方向三维合力F_α的三维有效应力定理：F_α＝σ_eα+P_f，更适用于展现构造挤压作用的影响、提升压实减孔预测精度。

其中，σ_eα为目标研究层α方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

利用三维合力公式和三维有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，并利用目标研究层α方向的有效应力σ_eα对孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，孔隙度和有效应力的三维关系模型为

其中，孔隙度是有效应力的指数函数，具体的：

利用三维合力公式和有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，可得：

利用目标研究层α方向的有效应力σ_eα对孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，可得：

其中，

为目标研究层的三维关系模型的孔隙度，

为目标研究层的三维关系模型的初始孔隙度，d为指数项系数，exp为e指数运算函数。

步骤S1中，关键参数为指数项系数d，获得指数项系数d的具体方法包括：

基于单井综合柱状图在垂向重力压实占主导的地区选取砂岩储层的目标研究层，并利用孔隙度解释模型获得目标研究层的孔隙度和埋藏深度的拟合系数以及目标研究层的初始孔隙度

构建孔隙度和埋藏深度的一维关系模型，孔隙度和埋藏深度的一维关系模型由Athy提出表征正常压实减孔趋势符合指数模型，即一维关系模型的孔隙度是埋藏深度的指数函数，孔隙度和埋藏深度的一维关系模型为：

其中，

为目标研究层的一维关系模型的孔隙度，c为一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数，h为目标研究层的埋藏深度；

构建目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型，上覆地层压力和埋藏深度的关系模型为：

其中，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆地层压力，ρ为目标研究层的密度，g为重力加速度；

利用孔隙度和埋藏深度的一维关系模型和目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型求解得出指数项系数d，具体的：

基于孔隙度和有效应力的三维关系模型为

获得目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

利用目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

与孔隙度和埋藏深度的一维关系模型

联立，可得：

-ch＝-dσ_ev；

基于目标研究层位于α方向的三维合力的三维有效力定理公式F_α＝σ_eα+P_f获得目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f，利用目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f与目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

联立，可得：

其中，σ_ev为目标研究层垂直方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

联立-ch＝-dσ_ev和

可得：

利用一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数c、目标研究层的埋藏深度h和目标研究层的孔隙流体压力P_f的已知取值带入

求解出指数项系数d。

本实施例提供一种求解指数项系数d的实例，根据玛东地区测井资料齐全的D18井和YT1井，如图3所示，可知浅层压实趋势的拟合系数c约为0.0004，地表一维关系模型的初始孔隙度37％左右，比较接近40％，故将拟合系数c定为0.0004，将图3(a)、3(b)中的一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的已知取值以及拟合系数c带入公式

最终求得指数项系数d的平均值为0.032，并可将D18井和YT1井深度域的压实趋势转化为有效应力域的压实趋势，如图3(c)、3(d)。

步骤S2、基于砂岩构造压实减孔数学模型开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，并针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价。

步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法包括：

步骤S201、构造目标研究层的挤压时期，具体的：

基于目标研究层的地震剖面解释明确目标研究层构造样式与几何学特征，并结合不整合面分析、分层数据和地层年代表确定目标研究层在不同地质时期发生构造挤压的时间节点；

本实施例提供了一种构造目标研究层的挤压时期的实例，玛东地区经历了多期构造运动，各期不整合主要分布在靠近古凸起的位置，地震不整一特征清楚。对盆地二维地震剖面进行地震地层与地震不整合对比解释，下乌尔禾组以上地层中共识别出3个较大规模的地震不整合面，通过井下分层数据、合成地震记录分析与层位标定，分别确定了各个不整合对应的地质时代，如图4所示。海西晚期构造运动形成了二叠系内部地层之间多期不整合现象，在下乌尔禾组地层沉积之后不久的二叠纪末期，晚海西运动构造挤压造成地层抬升剥蚀，导致上乌尔禾组地层缺失，形成了二叠系与三叠系之间的不整合接触关系。印支运动基本上继承了前期构造的特征，上三叠统白碱滩组顶部在古凸起附近出现低角度的超削不整一，大部分地区存在轻微剥蚀和沉积间断，形成了与侏罗系之间的不整合接触关系。燕山运动对靠近盆地腹部的玛东地区的影响主要表现为中侏罗统头屯河组地层顶部大范围的超削不整一界面，导致头屯河组地层的剥蚀和上侏罗统地层的缺失。综上，玛东地区下乌尔禾组砂岩储层所经受的构造挤压作用主要发生在二叠纪末的海西运动(约在255Ma时开始)、三叠纪末的印支运动(约在210Ma时开始)和侏罗纪末的燕山运动(约163.5Ma时开始)。

步骤S202、构造目标研究层的挤压应力，具体的：

分析目标研究层的挤压时期的水平主应力：选取目标研究层的砂岩岩心样品，利用声发射法测量相关参数，得出砂岩岩心样品所在位置处的不同挤压时期的水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h；

分析水平主应力的垂向分布特征：依据水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h随埋藏深度h的变化规律构建最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与埋藏深度h关系模型用以描述水平主应力的垂向分布特征。

构建最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与埋藏深度h关系模型的具体方法包括：

构建最大主应力F_H、最小主应力F_h与埋藏深度h关系模型，最大主应力F_H、最小主应力F_h与埋藏深度h关系模型分别为：

F_H＝A_H*h+B_H，

F_h＝A_h*h+B_h，

其中，A_H、A_h分别为最大主应力FH、最小主应力F_h与埋藏深度h线性系数，B_H、B_h分别为研究目标层的埋藏深度h＝0处的最大主应力F_H、最小主应力F_h；

利用水平主应力合力σ_h与最大主应力F_H、最小主应力F_h的受力分析模型σ_h ²＝F_H ²+F_h ²，求得水平主应力合力σ_h与埋藏深度h关系模型：

其中，A_σ为水平主应力合力σ_h与埋藏深度h线性系数，

为研究目标层的埋藏深度h＝0处的水平主应力合力σ_h；

本实施例

提供了一种求解水平主应力合力σ_h的计算实例，通过相关测算发现，MD3井下乌尔禾组中部地层中的砂岩在二叠纪末海西运动时的埋深约为600m，受到的侧向挤压水平主应力的合力约为14.5MPa；在三叠纪末印支运动时的埋深约为1300m，受到的侧向挤压水平主应力的合力约为26.5MPa(表)。

表1中部鼻凸构造MD3井下乌尔禾组早期构造挤压强度参数表

MD3井	下乌尔禾组中部地层埋深/m	构造挤压产生的水平主应力的合力/MPa
			二叠纪末海西运动	600	14.5
三叠纪末印支运动	1300	26.5

Stephansson等根据实测结果建立了芬诺斯堪的亚古陆最大主应力F_H、最小主应力F_h(单位：MPa)随深度h(单位：m)变化的线性方程如下：

F_H＝0.0444*h+6.7，

F_h＝0.0329*h+0.8

可利用h＝0求得地表处水平主应力合力

达到了6.75MPa。

对于同处于中部鼻凸构造上的MD3井，下乌尔禾组中部地层在二叠纪末海西运动发生时的最大埋深h约为600m，受到的侧向挤压水平主应力的合力约为14.5MPa，如果地表处水平主应力的合力采用前人的经验值6.75MPa，则该时期水平主应力的合力随深度的变化关系求解如下：

A_σ＝0.0129，由此可得σ_h＝0.0129h+6.75；

MD3井下乌尔禾组中部地层在三叠纪末印支运动发生时的最大埋深约为1300m，受到的侧向挤压水平主应力的合力约为26.5MPa(表)，则该时期水平主应力的合力随深度的变化关系求解如下：

A_σ＝0.0152，由此可得σ_h＝0.0152h+6.75。

利用目标研究层的水平主应力合力σ_h、上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

对砂岩构造压实减孔数学模型

进行深度域改造，可得：

步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法还包括：

利用盆地模拟软件恢复目标研究层顶、底界面的埋藏史和热史，确定65℃等温线与目标研究层中部地层的交点作为砂岩孔隙发生胶结作用前后的界限；

利用砂岩构造压实减孔数学模型模拟目标研究层砂岩压实减孔过程如下：

首先根据埋藏史曲线读取目标研究层埋藏深度及与深度相对应的地质年代，并通过所述构造挤压作用开始发生时的时间节点找到与之对应的埋藏深度；

当不发生构造挤压作用时，根据埋藏深度计算上覆地层压力S_v和地层孔隙中的静水压力P_f，从而计算出垂向有效应力σ_ev，根据所述一维压实减孔数学模型可得到该深度处(及其对应地质年代下)的目标研究层砂岩孔隙度

当目标研究层遭受侧向构造挤压作用时，根据对应的埋藏深度计算上覆地层压力S_v和地层孔隙中的静水压力P_f以及水平主应力合力σ_h，进而计算出三维有效应力σ_eα，根据所述三维压实减孔数学模型可获得该深度处(及其对应地质年代下)的目标研究层砂岩孔隙度

假定在地层抬升过程中砂岩孔隙度保持不变，通过上述方法可计算砂岩储层胶结前不同深度和时间的孔隙度，利用孔隙度和地质年代做交会图便可得到目标研究层双重压实条件下的孔隙度演化过程。

根据上述计算方法模拟目标研究层顶、底面砂岩不受构造挤压作用的正常压实条件下的孔隙度演化过程，并模拟目标研究层顶、底面砂岩在未发生胶结作用前受到构造挤压作用条件下的双重压实孔隙度演化过程，以确定出整个目标研究层砂岩在双重压实过程中的孔隙度变化范围；

将单井砂岩样品粒间统计结果投影到目标研究层砂岩孔隙度演化图，验证并调整砂岩构造压实减孔数学模型的合理性，具体的：

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果一致或比较接近，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建合理；

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果差别较大，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建不合理，需要检查并调整砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数至砂岩构造压实减孔数学模型恢复合理。

本实施例提供了一种验证砂岩构造压实减孔数学模型的实例，玛东地区MD3井下乌尔禾组(P₂w)压实减孔数值模拟结果如图5所示，对于砂岩压实减孔过程模拟结果的验证，是将单井孔隙度统计结果投影到下乌尔禾组地层压实减孔分布范围图上，检查两者之间误差大小。通过MD3井的对比结果可以发现，图5中的单井镜下统计的砂岩孔隙度与数值模拟结果比较接近，表明本实施例研究的砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果是比较合理的。

步骤S2中，针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价的具体方法包括：

利用合理的砂岩构造压实减孔数学模型对目标研究层在每个挤压时期的砂岩胶结作用前的孔隙度进行定量计算以实现对构造压实减孔程度进行定量评价。

本次研究以玛东地区中部鼻凸构造上MD3井为例，该井下乌尔禾组中部地层砂岩胶结作用发生前的构造压实减孔程度定量评价结果如图6所示。从埋藏史可以看出，在海西运动时期，下乌尔禾组地层埋深较小，到了印支运动和燕山运动时，地层的埋深变大。从总有效应力演化史可知，垂向有效应力是逐渐加大的，而侧向构造挤压有效应力则是在构造运动发生时期突然增大的。孔隙度的演化史表明，如图6(c)，MD3井下乌尔禾组中部砂岩在沉积之后主要受到垂向压实作用影响，孔隙度由40％逐渐下降至海西构造运动发生前的32％左右，海西期构造压实减孔量可达8％左右，孔隙度快速下降至24％左右；随后继续遭受垂向压实作用，砂岩孔隙度在印支运动发生前逐渐降至20％左右，印支期构造压实减孔量约为10％，砂岩储层孔隙度快速下降至10％左右，在这段时期及之后的时间内被大量胶结物充填，进而保存至今。

步骤S1中，利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，具体方法包括：

步骤一：基于单井综合柱状图将砂岩储层按预设规格分割成多个研究层，并依次获取多个研究层的岩性状态数据；

上述步骤将砂岩储层按预设规格进行分割获得多个待选取的研究层，这些研究层所具有的岩性特征并不完全相同，在研究砂岩储层的构造压实减孔程度定量评价时，需要选取包含有砂岩储层中主要岩性特征的研究层作为代表进行研究，因此本实施提供了一种选取目标研究层的方法，具体如下：

步骤二：基于岩性状态数据将所有研究层分别量化为单个研究集群x_y＝{a_y1，a_y2，...，a_ym}，其中x_y表示研究层y的岩性状态数据的集合，

表示研究层y的岩性状态数据的第z₁项，z₁∈[1，m]，y∈[1，n]，m为岩性状态数据的总项目数，n为研究层的总数目；

步骤三：依次计算两研究集群的特征相似性，并基于最大特征相似性进行集群融合归一，研究集群的特征相似性为两研究集群中特征相似性最大的一对研究层之间特征的相似性，特征相似性用果瓦系数进行度量：

其中，

为研究层y₁和研究层y₂的果瓦系数，

为研究层y₁和研究层y₂在

和

上的取值，

和

分别表示研究层y₁、y₂的岩性状态数据的第k₁项，

为加权变量，k₁∈[1，m]，y₁，y₂∈[1，n]；

步骤四：重复步骤三直至步骤三中的研究集群总数目是步骤二中研究集群总数目的10％停止集群融合，并在步骤三中的研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层。

利用岩性状态数据将所有的研究层进行同状态划分，可迅速将具有相同岩性特征的研究层聚类至同一研究集群，包含研究层数量越多的研究集群代表研究集群中研究层所具有的岩性特征是砂岩储层的普遍具有特征，普遍具有的特征表明在研究砂岩储层时必然要对其进行研究，从而凸显出普遍具有的特征的重要性，因此普遍具有的特征也是砂岩储层研究的重要特征，因此可在研究集群中选择研究层作为砂岩储层代表研究层即为目标研究层。

在步骤三中的研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层的具体方法包括：

依次统计步骤三中所有研究集群包含的研究层的数量，保留包含研究层数目最多的研究集群用于选取目标研究层；

量化包含研究层数目最多的研究集群的所有研究层两两之间的岩性距离，岩性距离用欧式距离度量，欧式距离的计算公式为：

为研究层y₁和研究层y₂的欧式距离，n2表示包含研究层数目最多的研究集群中研究层的总数目；

设置岩性距离阈值，基于岩性距离阈值选取出目标研究层。

岩性距离表征为两个研究层之间的岩性相似度，岩性距离越低则两个研究层之间的岩性相似度越高，通过设定一个岩性距离阈值用于统计出研究层与剩余研究层间的相似数量，即若两个研究层之间的岩性距离低于岩性距离阈值则认为两个研究层之间相似，若两个研究层之间的岩性距离高于岩性距离阈值则认为两个研究层之间不相似。

基于岩性距离阈值选取目标研究层的具体方法包括：

依次统计包含研究层数目最多的研究集群中每个研究层与其余研究层的岩性距离低于岩性距离阈值的数目，并将岩性距离低于岩性距离阈值的数目最大值对应的研究层作为目标研究层。

岩性距离低于岩性距离阈值的数目最大值对应的研究层表征为在包含研究层数目最多的研究集群与剩余研究层的相似数量最多，可用于代表与其相似的研究层，进行可拓展为代表整个研究集群，从而在拓展为代表砂岩储层，说明该研究层具有普遍代表性，最终可选取作为目标研究层。

本发明利用通过构建砂岩构造压实减孔数学模型和分析控制构造压实过程的关键参数，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，能够针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价，可以实现砂岩储层早期构造压实减孔过程的分期评价和动态评价，评价精度高，同时利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，可保证选取的目标研究层岩性特征代表性精度高以及研究普遍性强，最终使得构造压实减孔程度的定量评价的精度高以及代表性强。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、构建砂岩构造压实减孔数学模型，并分析构造压实过程得出所述砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数；

步骤S2、基于所述砂岩构造压实减孔数学模型开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟，并针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价；

其中：构建砂岩构造压实减孔数学模型的具体方法包括：

对砂岩储层中的目标研究层分别进行垂直和水平方向的受力分析，并基于所述受力分析结果计算得出目标研究层的三维合力，所述三维合力公式为：

其中，F_α为目标研究层位于α方向的三维合力，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆岩层压力，F_H、F_h分别为目标研究层位于水平方向的最大主应力、最小主应力；

基于三维有效应力定理求取目标研究层位于α方向的有效应力，所述三维有效应力定理公式为：

F_α＝σ_eα+P_f，

其中，σ_eα为目标研究层α方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

利用所述三维合力公式和三维有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，并利用所述目标研究层α方向的有效应力σ_eα对孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，所述孔隙度和有效应力的三维关系模型为

具体的：

利用所述三维合力公式和三维有效应力定理公式求得目标研究层α方向的有效应力σ_eα，可得：

利用所述目标研究层α方向的有效应力σ_eα对所述孔隙度和有效应力的三维关系模型进行改造获得砂岩构造压实减孔数学模型，可得：

其中，

为目标研究层的三维关系模型的孔隙度，

为目标研究层的三维关系模型的初始孔隙度，d为指数项系数，exp为e指数运算函数；

所述关键参数为指数项系数d，获得指数项系数d的具体方法包括：

基于单井综合柱状图在垂向重力压实占主导的地区选取砂岩储层的目标研究层，并利用孔隙度解释模型获得目标研究层的孔隙度和埋藏深度的拟合系数以及目标研究层的初始孔隙度构建孔隙度和埋藏深度的一维关系模型，所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型为：

其中，

为目标研究层的一维关系模型的孔隙度，

目标研究层的一维关系模型的初始孔隙度，c为一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数，h为目标研究层的埋藏深度；

构建目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型，所述上覆地层压力和埋藏深度的关系模型为：

其中，F_v为目标研究层位于垂直方向的上覆地层压力，ρ为目标研究层密度，g为重力加速度；

利用所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型和所述目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型求解得出指数项系数d，具体的：

基于孔隙度和有效应力的三维关系模型为

获得目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

利用目标研究层的孔隙度和垂直方向的有效应力的一维关系模型

与所述孔隙度和埋藏深度的一维关系模型

联立，可得：

-ch＝-dσ_ev；

基于所述目标研究层位于α方向的三维合力的三维有效力定理公式F_α＝σ_eα+P_f获得目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f，利用目标研究层垂直方向的一维有效应力定理公式F_v＝σ_ev+P_f与所述目标研究层的上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

联立，可得：

其中，σ_ev为目标研究层垂直方向的有效应力，P_f为目标研究层的孔隙流体压力；

联立-ch＝-dσ_ev和

可得：

利用所述一维关系模型的孔隙度和埋藏深度的拟合系数c、目标研究层的埋藏深度h和目标研究层的孔隙流体压力P_f的已知取值带入

求解出指数项系数d。

2.根据权利要求1所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于：步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法包括：

步骤S201、构造所述目标研究层的挤压时期，具体的：

基于目标研究层的地震剖面解释明确所述目标研究层构造样式与几何学特征，并结合不整合面分析、分层数据和地层年代表确定目标研究层在不同地质时期发生构造挤压的时间节点；

步骤S202、构造所述目标研究层的挤压应力，具体的：

分析所述目标研究层的挤压时期的水平主应力：选取目标研究层的砂岩岩心样品，利用声发射法测量相关参数，得出砂岩岩心样品所在位置处的不同所述挤压时期的水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h；

分析所述水平主应力的垂向分布特征：依据所述水平方向的最大主应力F_H、最小主应力F_h随所述埋藏深度h的变化规律构建最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型用以表征所述水平主应力的垂向分布特征。

3.根据权利要求2所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于：构建所述最大主应力F_H、最小主应力F_h以及水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型的具体方法包括：

构建所述最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h关系模型，所述最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h关系模型分别为：

F_H＝A_H*h+B_H，

F_h＝A_h*h+B_h，

其中，A_H、A_h分别为最大主应力F_H、最小主应力F_h与所述埋藏深度h线性系数，B_H、B_h分别为研究目标层的埋藏深度h＝0处的最大主应力F_H、最小主应力F_h；

利用所述水平主应力合力σ_h与所述最大主应力F_H、最小主应力F_h的受力分析模型σ_h ²＝F_H ²+F_h ²，求得所述水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h关系模型：

其中，A_σ为所述水平主应力合力σ_h与所述埋藏深度h线性系数，

为研究目标层的埋藏深度h＝0处的所述水平主应力合力σ_h；

利用目标研究层的所述水平主应力合力σ_h、所述上覆地层压力和埋藏深度的关系模型

对所述砂岩构造压实减孔数学模型

进行深度域改造，可得：

4.根据权利要求3所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于：所述步骤S2中，开展早期构造压实和重力压实综合减孔过程数值模拟的具体方法还包括：

利用盆地模拟软件恢复目标研究层顶、底界面的埋藏史和热史，确定65℃等温线与目标研究层中部地层的交点作为砂岩孔隙发生胶结作用前后的界限；

模拟目标研究层顶、底面砂岩不受构造挤压作用的正常压实条件下的孔隙度演化过程，并模拟目标研究层顶、底面砂岩在未发生胶结作用前受到构造挤压作用条件下的双重压实孔隙度演化过程，以确定出整个目标研究层砂岩在双重压实过程中的孔隙度变化范围；

将单井砂岩样品粒间统计结果投影到目标研究层砂岩孔隙度演化图，验证并调整所述砂岩构造压实减孔数学模型的合理性，具体的：

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果一致或比较接近，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建合理；

若单井砂岩样品粒间统计结果与砂岩构造压实减孔数学模型的模拟结果差别较大，则表明砂岩构造压实减孔数学模型构建不合理，需要检查并调整砂岩构造压实减孔数学模型的关键参数至砂岩构造压实减孔数学模型恢复合理。

5.根据权利要求4所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，针对不同期次的构造压实作用分别进行构造压实减孔程度的定量评价的具体方法包括：

利用合理的所述砂岩构造压实减孔数学模型对目标研究层在每个挤压时期的砂岩胶结作用前的孔隙度进行定量计算以实现对构造压实减孔程度进行定量评价。

6.根据权利要求5所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用相似度比对在砂岩储层中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层，具体方法包括：

步骤一：基于单井综合柱状图将砂岩储层按预设规格分割成多个研究层，并依次获取多个研究层的岩性状态数据；

步骤二：基于所述岩性状态数据将所有研究层分别量化为单个研究集群x_y＝{a_y1,a_y2,…,a_ym}，其中x_y表示研究层y的岩性状态数据的集合，

表示研究层y的岩性状态数据的第z₁项，z₁∈[1,m]，y∈[1,n]，m为岩性状态数据的总项目数，n为研究层的总数目；

步骤三：依次计算两研究集群的特征相似性，并基于最大特征相似性进行集群融合归一，所述研究集群的特征相似性为两研究集群中特征相似性最大的一对研究层之间特征的相似性，所述特征相似性用果瓦系数进行度量：

其中，

为研究层y₁和研究层y₂的果瓦系数，

为研究层y₁和研究层y₂在

和

上的取值，

和

分别表示研究层y₁、y₂的岩性状态数据的第k₁项，

为加权变量，k₁∈[1,m]，y₁,y₂∈[1,n]；

步骤四：重复步骤三直至步骤三中的研究集群总数目是步骤二中研究集群总数目的10％停止集群融合，并在步骤三中的研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层；

研究集群中选取包含重要特征且具有普遍研究价值的目标研究层的具体方法包括：

依次统计所述步骤三中所有研究集群包含的研究层的数量，保留包含研究层数目最多的研究集群用于选取所述目标研究层；

量化包含研究层数目最多的研究集群的所有研究层两两之间的岩性距离，所述岩性距离用欧式距离度量，所述欧式距离的计算公式为：

其中，

为研究层y₁和研究层y₂的欧式距离，n2表示包含研究层数目最多的研究集群中研究层的总数目；

设置岩性距离阈值，基于所述岩性距离阈值选取出所述目标研究层。

7.根据权利要求6所述的砂岩储层胶结前的多期构造压实减孔程度定量评价方法，其特征在于，基于所述岩性距离阈值选取目标研究层的具体方法包括：

依次统计包含研究层数目最多的研究集群中每个研究层与其余研究层的岩性距离低于岩性距离阈值的数目，并将岩性距离低于岩性距离阈值的数目最大值对应的研究层作为目标研究层。

Images