一种定量评价储层成岩演化过程中孔隙度时空演变的方法与流程

本发明涉及石油勘探领域，具体的说，本发明涉及一种定量评价储层成岩演化过程中孔隙度时空演变的方法。

背景技术：

油气资源已日益成为与国民经济、社会发展和国家安全息息相关的战略资源。无论是传统的、技术已经相对成熟的常规油气，还是新兴的、潜力巨大的页岩气、煤层气等非常规资源，均赋存于储层岩石孔隙或裂隙中。若要对其进行有效的开采，必须明确油气的成藏规律，对储层的孔隙度和渗透率等物性条件进行正确的评价。

油气资源的分布和物性主要受沉积作用和成岩作用的共同影响与控制：①沉积作用是指被运动介质搬运的物质到达适宜的场所后，由于条件改变而发生沉淀、堆积的过程的作用，沉积作用是影响储层质量的“先天”因素，决定着储层的空间分布和原始物性；②成岩作用是指沉积物沉积后至岩石固结的整个过程，沉积物沉积后，由于上覆沉积物的不断堆积，沉积物在埋藏过程中经历了不同类型和不同强度的成岩作用，对储层孔隙的形成、保存、破坏及储层的物性起着极为重要的作用。因此，成岩作用是影响储层质量的“后天”因素，决定着储层的最终物性，现今储层的孔隙度、渗透率等性质是成岩作用对其改造的结果。

成岩过程及其复杂，根据典型的成岩事件，可划分为多个连续的时期，每个时期均对应不同的埋深、温度、压力等条件，同时还有构造运动、外界流体侵入、烃源岩生成等多种因素的影响，在空间上也表现为非均质的特性。储层内主要发生的成岩作用有压实作用、胶结作用、交代作用、结晶作用、淋滤作用、水合作用和生物化学作用等。整个成岩过程基本都在有水的环境中进行，在漫长的成岩过程中，复杂的地下水溶液与围岩矿物长期接触，必然会发生一系列的物理、化学反应，导致矿物发生溶解或沉淀，引发储层孔隙度改变。因此，亟待明确成岩过程中不同的成岩条件下，储层内所发生的物理、化学作用对孔隙度的影响，也就是恢复成岩过程中孔隙度的时空演变过程，从而能准确的评价有利储层的分布，为油气勘探查明方向，提高开采效率。

关于成岩过程中孔隙度的研究，目前的技术方案一方面是基于井点等地质资料，通过理论分析、岩石学测试和物理模拟等手段，模拟沉积充填史、埋藏史、热源演化史，恢复钙质胶结史、硅质胶结史、粘土矿物胶结史、长石矿物溶解史等，确定不同时期的典型成岩作用、强度和储层孔隙度的改变，基于岩石学测试等方法，确定储层原始孔隙保留和次生孔隙增减的情况，属于定性或者半定量的分析，得到的是孔隙度的整体曲线，未有随时间演变的定量分析与评价，未能精确地提供成岩过程中某个时间或某个区域的孔隙度具体数值。

另一方面，目前有少量文献基于地球化学理论研究成岩作用，运用热力学计算或数值模拟手段，评价某一成岩作用对孔隙度的改造，但是这些研究都是拘泥于单一的典型成岩作用，如白云石化作用、伊利石化作用，属于机理研究，并不能预测实际成岩过程中孔隙度的改变。然而，实际成岩作用包含多个成岩作用，过程及其复杂。目前，尚未有一种技术方案能够基于地质学、地球化学和计算机等综合知识，定量地评价和预测成岩过程中储层孔隙度随时空的演变。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种定量评价储层成岩演化过程中孔隙度时空演变的方法；该方法能够利用实验和数值模拟相结合的手段，准确地复制储层成岩演化过程，并定量恢复孔隙度随时间的演变曲线。

本发明通过系统性实验与数值模拟技术相结合，建立成岩演化过程中孔隙度的时空演变模拟系统，从而明确储层漫长复杂的成岩演化过程中储层孔隙度的演变规律，定量评价储层孔隙度随时间的演变趋势和在空间上的分布特征，揭示有利储层的形成机制和空间展布特征，该技术将为油气资源的勘探指明方向，提高油气的开采效率。

本技术方案基于岩石学测试分析等定性化的数据，充分运用地球化学数值模拟技术，实现了孔隙度随时间和在空间上演变的定量化评价。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种定量评价储层成岩演化过程中孔隙度时空演变的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)确定储层的成岩序列和孔隙度变化趋势，识别储层经历的成岩事件，选取对孔隙度有影响的成岩事件(如有机酸充注、二氧化碳侵入、异常高温高压等)，划定多个典型的、连续的成岩时期(每个成岩时期存在多种可能的成岩条件，如有机酸充注的速率、充注量等)，建立1种或多种可能的成岩演化过程；

(2)分别模拟步骤(1)中所推测的成岩演化过程，将各成岩演化过程的模拟结果与储层实际的成岩序列和孔隙度变化趋势进行对比，选择其中的模拟结果与实际数据一致的成岩演过过程，则确定储层所经历的成岩演化过程、成岩时期和每个成岩时期的成岩条件；

(3)根据步骤(2)中所确定的成岩演化过程、成岩时期和每个成岩时期的成岩条件，开展不同成岩时期的高温高压成岩作用室内实验，测试各成岩时期实验前后的流体成分、岩石样品成分及孔隙结构；

(4)与步骤(3)中的实验条件完全一致，进行不同成岩时期的成岩作用数值模拟，将每个成岩时期的模拟结果与实验结果进行对比，校正模拟中矿物动力学计算参数和比表面积；

(5)将步骤(3)、(4)中的每个成岩时期的模拟时间(5-8天)延长至储层的实际成岩时间尺度(数十万年至数百万年)，基于步骤(4)中校正过的模拟参数，进行实际成岩演化过程的数值模拟(数百万年)，将模拟结果与步骤(1)中的储层成岩序列和孔隙度变化趋势进行对比，再次校正模型参数，建立孔隙度随时间演变的定量模拟系统；

(6)基于区域范围内的地质和成岩数据，用已建立的孔隙度随时间演变的定量模拟系统，构建三维模型，模拟区域范围上储层的演化过程，与实际数据对比，最终建立孔隙度随时空演变的定量模拟系统，实现孔隙度在空间上随时间的定量评价和预测。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是基于岩石学和地球化学，结合岩样薄片鉴定、岩样x射线衍射数据、流体包裹体和成熟度分析测试，确定储层的成岩序列和孔隙度变化趋势，识别储层经历的主要成岩作用，划分典型的、连续的成岩时期，建立成岩演化过程。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是通过室内岩石学测试分析、流体包裹体测试、同位素测试，明确储层的物源条件和热演化史，基于矿物转化关系和不同成岩时间节点的测试数据，确定储层的成岩序列和孔隙度变化趋势，推测储层的成岩演化过程，并根据对孔隙度的影响程度，将每种可能的成岩演化过程概化为连续的数个成岩时期。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是根据对孔隙度的影响程度，将每种可能的成岩演化过程概化为连续的4-6个时期。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是划定4-6个典型的、连续的成岩时期。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)是建立3-5种可能的成岩演化过程。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)是用模拟软件，分阶段模拟步骤(1)中所推测的成岩演化过程。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)的模拟软件是多相流反应溶质运移模拟软件。

所述多相流反应溶质运移模拟软件可以为目前市售常规的相应软件，譬如toughreact、touchstone等。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)的模拟结果包括岩石矿物成分、矿物沉淀/溶解趋势和孔隙度中的一种或多种。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)是用室内成岩作用物理模拟实验装置，进行不同成岩时期的高温高压反应实验，测试每个时期实验前后的流体成分、岩石样品成分及孔隙结构。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)每个时期实验时间为5-8天，共20-48天。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)是测量流体ph值及流体中典型离子的浓度。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)所述典型离子包括k⁺、ca²⁺、na⁺、mg²⁺、al³⁺、fe(含所有价态)、cl^-、si(全si测定)和so4^2-中的一种或多种的组合。

其中可以理解的是，在本领域中，fe的浓度测定是指各价态的铁离子总量；si的浓度测定是指水溶液中全si的测定。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)测试岩石样品成分包括对岩样进行了以下测试：①x射线衍射和光谱分析；②扫描电镜和薄片鉴定；③铸体薄片；④x射线微米ct。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)是基于步骤(3)中室内实验的条件，进行不同成岩时期的数值模拟，将模拟结果与实验结果进行对比，校正模拟参数。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)进行不同成岩时期的成岩作用数值模拟，每个成岩时期的温度、压力、时间均与步骤(3)中相对应成岩时期的条件一致，将每个成岩时期的模拟结果与实验结果进行对比，校正模拟中矿物动力学计算参数和比表面积。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)的模拟结果包括各矿物的相对含量、各离子的浓度和孔隙度。

综上所述，本发明提供了一种定量评价储层成岩演化过程中孔隙度时空演变的方法。本发明的方法具有如下优点：

(1)以往关于成岩作用的研究大多是基于岩石学测试分析手段，定性或半定量地研究成岩序列和孔隙度演变。然而，地球化学作用在成岩过程中发挥着巨大的作用，尤其是对储层孔隙度有着直接的影响，甚至可以说决定了孔隙度的演变过程，因此用于计算地球化学作用的热力学及动力学理论极为重要。本发明将地球化学数值模拟技术运用到了成岩过程的研究中，结合热力学计算、室内实验、岩石学测试分析和天然类比等手段，相互验证，不仅恢复了孔隙度随时间的演变曲线，而且结合区域范围内的地质成岩特点，评价和预测区域范围内孔隙度的时空演变特征，从时间域和空间域两个方面研究成岩过程中孔隙度的演变特征，彻底实现了成岩过程中孔隙度评价和预测的定量化，在国内外尚未有此研究。

(2)成岩过程及其复杂，是由多个阶段、多个子过程共同作用，它们之间相互影响、密切联系，以往关于成岩作用地球化学数值模拟的研究，往往局限于单个成岩作用，如白云石化作用、伊利石化作用等。本技术方案综合考虑所有成岩作用共同影响下的孔隙度演变特征，与实际储层的成岩过程一致，能为油气勘探提供更直接、更有价值的信息。

(3)本发明技术方案是首次运用综合的地球化学理论综合研究多种复杂的成岩作用，与实际成岩一致。

(4)本发明技术方案，在初步概化(第一个步骤)后，增加了数值模拟工作，也就是在室内实验前通过数值模拟手段反复校正，确定成岩过程、成岩时期和成岩条件，如此再进行室内试验，成功率极高。此步骤非常关键，大大增加了该技术方案的成功率。

附图说明

图1为实施例1过程流程图；

图2为实施例1成岩演化过程中水岩作用模型的示意图；

图3为实施例1模拟结果与实验数据对比；

图4为实施例1孔隙度随地质时间的演变示意图；

图5为实施例1孔隙度和典型矿物的空间非均质分布示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

研究背景

鄂尔多斯北部气田拥有巨大的油气资源量，石盒子组是主力产气层。经过漫长复杂的地质演化，石盒子组储层经受了一系列强烈的成岩作用，现今的平均孔隙度仅为0.06，平均渗透率仅为1md，属于低孔低渗的致密砂岩储层，成岩作用的改造使储层具有较强的非均质性，导致致密砂岩气的开采遇到了“低渗、低压、低产、低丰度”的难题。目前，石盒子组致密砂岩储层的形成机制存在争议，储层发生致密的时间和过程尚不确定，也就是孔隙度的演变过程不清楚，导致致密砂岩气的开采效率低。通过本发明技术，能定量评价成岩演化过程中孔隙度随时间和空间的演变，明确储层致密化的机制，从而为致密砂岩气的开采提供指导。其具体过程如下：

1)通过一系列的室内岩石学测试分析、流体包裹体测试、同位素测试等，明确了石盒子组储层的成岩序列和孔隙度变化趋势，基于矿物转化关系和不同成岩节点的测试数据，推测石盒子组储层的成岩演化过程有4种可能，根据地球化学作用对孔隙度的影响程度，将每种可能的成岩演化过程概化为6个连续的典型时期(如图1所示)：

①压实→早期浅埋藏成岩→异常高温高压→co2充注→有机酸充注→晚期深埋藏成岩；

②压实→早期浅埋藏成岩→co2充注→异常高温高压→有机酸充注→晚期深埋藏成岩；

③压实→早期浅埋藏成岩→有机酸充注→异常高温高压→co2充注→晚期深埋藏成岩；

④压实→早期浅埋藏成岩→异常高温高压→有机酸充注→co2充注→晚期深埋藏成岩；

同时，每个成岩时期的成岩条件也有多种可能，如有机酸、co2充注的充注速率、充注量和充注时长等。

2)运用多相流反应溶质运移模拟软件toughreact，模拟以上推测的4种成岩演化过程，每种成岩演化过程分为6个时期模拟，且每个时期对应多种成岩条件(有机酸、co2充注的充注速率、充注量和充注时长)。将各种模拟结果与储层的成岩序列和孔隙度变化趋势进行对比，确定石盒子组储层所经历的主要地球化学反应，矿物转化关系如式(1)-(4)所示。石盒子组储层经历了最初的压实和早成岩埋藏后，伴随油气充注，经历了大量co2的入侵，对孔隙度的改变较大，随后地层发生了高温高压条件的突变，然后伴随着油气的第二次充注，有机酸注入，最后经历了晚期深埋藏成岩演化过程。总之，通过此步的数值模拟工作，得知石盒子组储层所经历的成岩演化过程与步骤1)中推测的第②种可能一致，而其他3种可能的成岩演化过程模拟结果均与步骤1)中实测数据所表现的趋势不一致。同时，通过数值模拟工作，确定了每个成岩阶段的温度、压力等成岩条件。

caco3(方解石)+h⁺→ca²⁺+hco3^-

长石类矿物+h2o+h⁺→(k⁺,na⁺,ca²⁺)+sio2+高岭石

高岭石+k⁺→伊利石+h2o+h⁺

蒙皂石+k⁺+al³⁺→伊利石+na⁺+ca²⁺+fe³⁺+mg²⁺+si⁴⁺

3)在实验室，用成岩模拟系统实验装置进行了这6个成岩时期的高温高压反应实验，第一个时期8天，其他时期均6天。其中，初始岩样成分和流体浓度是根据步骤1中的研究区岩石学测试结果进行反推的，表1和表2分别是初始岩样成分和成岩演化过程的流体浓度。实验中各个阶段的温度、压力等主要参数均取自于步骤2，如表3所示。

表1初始岩样配制中各矿物的相对含量

表2实验中各流体的浓度(mg/l)

表3成岩演化过程中各阶段的实验条件

收集各个成岩时期反应后的岩样和水样，水样冷却至常温，过滤，测量ph值及溶液中典型离子(k⁺、ca²⁺、na⁺、mg²⁺、al³⁺、fe、cl^-、si和so4^2-)的浓度；对岩样进行了以下测试：①x射线衍射(xrd)和光谱分析(xrf)，测试岩样中矿物和元素含量。②扫描电镜(sem)和薄片鉴定，观察岩石表面矿物的溶蚀或沉淀特征。③铸体薄片，测量并计算岩样的面孔率。④x射线微米ct，扫描岩样的孔隙结构和面孔特征。

4)基于室内实验的条件，进行成岩演化过程(包括不同成岩时期)的数值模拟，模型示意图如图2所示，将模拟结果与实验结果进行对比，如图3所示，校正模拟矿物动力学计算参数和比表面积。

5)延长每个成岩时期的模拟时间，进行储层实际成岩时间尺度的成岩演化过程模拟，共280百万年。将模拟结果与实测数据进行对比，校正模型参数，建立了孔隙度随时间演变的定量模拟系统。孔隙度的演变曲线如图4所示，孔隙度经过压实作用，由初期的30％降至15％，早成岩时期孔隙度基本保持不变，随着co2气体的充注，矿物溶蚀，孔隙度增加，但停止注入之后，且温度和压力增加，导致大量碳酸盐岩沉淀，孔隙度急剧降至10％以下，储层发生致密，也就是说，伴随油气的第一次充注，co2气体的侵入对储层的致密化起到了关键作用，后期的有机酸充注和成藏对孔隙度的影响不大。

6)基于研究区区域范围内的物源和成岩数据，构建三维模型，模拟区域范围上储层的成岩演化过程，模拟结果如图5所示。结果表明，模拟结果与区域实测数据一致，均表现为整体以长石类矿物的溶解为主，转化为伊利石，并生成铁白云石和片钠铝石沉淀。但是，初始矿物和孔隙度、渗透率的非均质导致成岩作用在区域上表现为非均质，最终孔隙度呈现非均质状态，储层发生了不同程度的致密化。根据模拟的孔隙度在空间上的分布，能够评价有利储层。

本发明技术方案通过系列实验与模拟相结合，提出了一套完整的、科学的、系统的评价孔隙度的方法，能够建立孔隙度随时空演变的定量模拟系统，不仅恢复漫长成岩演化过程中孔隙度的演变曲线，而且能够实现孔隙度在空间上的定量评价和预测，既查明了储层的致密化机理，又能为油气等资源的勘探指明方向，提高开采效率。