一种泥页岩古抗压强度确定方法与流程

本发明涉及油气勘探领域，尤其涉及一种泥页岩古抗压强度确定方法。

背景技术：

泥页岩在常规油气成藏中是常见的烃源岩和盖层，在非常规油气成藏中既是烃源岩又是储层。泥页岩裂缝研究对常规油气藏的保存条件评价、对非常规油气成藏条件分析及开发研究具有重要意义。泥页岩裂缝的形成演化的控制因素非常复杂，既有自身的因素，如由岩性、物性、结构、构造等决定的力学性质；也有外部因素，如应力的大小和方向，所处的温度、压力与流体环境等。而且，在地质历史过程中，随着沉积盆地的沉降与抬升，地层所受的上覆地层压力、孔隙度、密度、垂直有效压力、围压等是变化的，泥页岩的岩性、物性、结构、构造等自身的因素随着沉积盆地的演化而动态演化，从而决定了其岩石力学性质也是动态演化的。同样，温度、压力、流体等外部因素也是动态演化的。自身因素和外部因素的动态耦合作用控制着泥页岩构造裂缝的形成演化。因此，研究泥页岩裂缝的形成演化，需要研究泥页岩岩石力学性质的动态演化过程。如何从动态演化的角度研究泥页岩裂缝，古抗压强度的确定是关键问题之一。

当前，对泥页抗压强度的研究，都是研究其现今的抗压强度。或者通过地表露头和井下岩心样品的室内力学试验获得抗压强度，或者通过测井资料，利用经验公式计算获得。无论那种方法，获得的都是现今的力学参数数据。至今尚没有关于泥页岩在地质历史时期的岩石抗压强度确定方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种泥页岩古抗压强度确定方法，该方法能够定量恢复泥页岩在地质历史时期的抗压强度，为研究泥页岩裂缝动态演化提供关键数据。

为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种泥页岩古抗压强度 确定方法，包括：步骤一，恢复地层的埋藏史，在埋藏史恢复的基础上，恢复出泥页岩的古岩石密度；步骤二，依据古岩石密度计算古垂直有效压力，并利用围压和垂直有效压力之间的关系计算古围压；步骤三，通过对试验测试数据进行拟合，获得围压对泥页岩抗压强度影响的数学模型，并以此数学模型对抗压强度进行地层条件下泥页岩抗压强度的校正，并引入时间变量，从而获得古抗压强度。

优选地，在所述步骤一中，基于盆地模拟中的埋藏史恢复技术恢复地层的埋藏史，并基于地层岩性含量、岩性压实系数和埋深来计算古孔隙度；基于古孔隙度、流体密度和岩石骨架密度来计算古岩石密度。

优选地，利用如下表达式计算古孔隙度：

其中，为在地质时间t、埋深为Z时的孔隙度；P_n为第n种岩性百分含量；c_n为第n种岩性压实系数；Z(t)为t时刻的埋深；为第n种岩性的孔隙度。

优选地，利用如下表达式计算古岩石密度：

其中，ρ_(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的地层密度，ρ_f为流体密度，ρ_r为岩石骨架密度，为在地质时间t、埋深为Z时的孔隙度。

优选地，利用如下表达式来计算古垂直有效压力：

其中，σ'_v(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的垂直有效压力。

优选地，利用如下表达式来计算古围压：

P_(Z,t)＝σ_h(Z,t)＝σ'_v(Z,t)×μ/(1-μ)

其中，P_(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的围压，μ为泊松比。

优选地，在所述步骤三中，依据实际测试的抗压强度与孔隙度数据，采用数学函数拟合方法获得泥页岩抗压强度与孔隙度之间的数学模型一；采用三轴力学试验获得围压下的抗压强度，建立所述抗压强度与对应围压之间的数学模型二；利用所述数学模型二对所述数学模型一进行校正，进而计算古抗压强度。

优选地，所述数学模型一表示如下：

UCS＝2.441φ^-0.83

其中，UCS为无围压时的抗压强度，φ为孔隙度。

优选地，所述数学模型二表示如下：

σ_cp＝UCS+aP

其中，σ_cp为围压为P时的抗压强度，UCS为无围压时的抗压强度，a为经验系数。

优选地，利用如下表达是计算古抗压强度：

σ_cp(Z,t)＝UCS_(Z,t)+aP_(Z,t)

其中，σ_cp(Z,t)为地质时间t、埋深为Z的围压P_(Z,t)时的抗压强度，UCS_(Z,t)为由孔隙度预测的地质时间t、埋深为Z时的抗压强度。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果。

本发明的目的是定量恢复泥页岩在地质历史时期的抗压强度，为研究泥页岩裂缝动态演化提供关键数据，从而为常规油气成藏保存条件动态演化评价与非常规油气成藏条件分析以及开发研究提供技术参数。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明实施例的泥页岩古抗压强度确定方法的流程示意图。

图2为泥页岩孔隙度与抗压强度的关系图。

图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为温度是0℃、50℃、100℃、130℃下围压对泥页岩抗压强度影响关系图。

图4为鄂西渝东地区建深1井志留系底部泥页岩古抗压强度的结果图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据 以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在现有技术中，无论是岩石力学试验还是测井资料计算获得的岩石抗压强度参数，都是反映现今的岩石力学特性。但是，岩石力学性质除了与岩石本身的成分、结构、构造等因素有关之外，还受温度、压力、流体等环境因素控制，特别是压力和流体的影响尤其显著。在地质历史过程中，随着沉积盆地的沉降与抬升，地层所受的压力、孔隙度、密度、垂直有效压力、围压等是变化的，因此，岩石的抗压强度也是动态演化的。岩石抗压强度的动态演化以抗压强度变量随地质时间的变化过程来表征，即：在不同地质历史时期的抗压强度大小。

本发明实施例针对泥页岩裂缝动态演化研究中需要解决的关键问题，提出了一种泥页岩古抗压强度确定方法。本实施例涉及的“古抗压强度”是指岩石在地址历史时期的抗压强度大小。而且，本实施例的地质历史时期主要是指现代以前的即第四纪全新世以前的各个地质时期。如后面图4所示，本实施例中所涉及到的地质历史时期(地质时间)包括震旦纪(Z)、寒武纪(€)、奥陶纪(O)，志留纪(S)、泥盆纪(D)、石炭纪(C)、早二叠世(P₁)、晚二叠世(P₂)、早三叠世(T₁)、中三叠世(T₂)、晚三叠世(T₃)、早侏罗世(J₁)、中侏罗世(J₂)、晚侏罗世(J₃)、早白垩世(K₁)、晚白垩世(K₂)、古近纪(E)、新近纪(N)和第四纪(Q)。

(实施例)

图1为本发明实施例的泥页岩古抗压强度确定方法的流程示意图，下面参照图1来说明该方法的各个步骤。

步骤S110，恢复地层的埋藏史，在埋藏史恢复的基础上，恢复出泥页岩古岩石密度。

需要说明的是，所谓“古岩石密度”是指地质历史时期的岩石密度，比如，志留系泥页岩在侏罗纪末的密度。

具体地，基于盆地模拟中的埋藏史恢复技术(例如回剥法)恢复地层的埋藏 史，然后计算泥页岩孔隙度演化史(古孔隙度)，最后根据古孔隙度来计算古岩石密度。所谓“古孔隙度”是指地质历史时期的孔隙度，比如，志留系泥页岩在三叠纪末的孔隙度。

回剥法是根据沉积压实原理，从已知的单井分层参数出发，按照地质年代由新到老的顺序逐层剥去，剥蚀恢复过程中考虑了沉积压实、沉积间断、地层剥蚀等地质要素，直至全部地层剥完为止。进一步，回剥法采用地层骨架厚度不变压实模型：即在地层的沉积压缩过程中，压实只是导致孔隙度减小，而骨架体积不变。使用该模型恢复地层的沉降史，实质上是恢复地层中的孔隙度演化过程，因此可以借助孔－深关系来恢复古厚度。即随着埋藏深度的增加，地层的上覆盖层也增加，导致孔隙度变小，体积减小。

在埋藏史恢复到基础上，基于地层岩性含量、与地层岩性含量对应的岩性压实系数和埋深来计算古孔隙度。进一步，通过以下表达式来计算古孔隙度：

其中，为在地质时间t、埋深为Z时的孔隙度，其为小数；P_n为第n种岩性百分含量，以％表示；c_n为第n种岩性压实系数，1/m；Z(t)为t时刻的埋深，单位为m；为第n种岩性的孔隙度。

在计算古岩石密度时，具体地，基于古孔隙度、流体密度和岩石骨架密度来计算古岩石密度，可通过如下表达式来表示：

其中，ρ_(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的地层密度，ρ_f为流体密度，ρ_r为岩石骨架密度，单位为g/cm³；

步骤S120，依据古岩石密度计算古垂直有效压力，并利用围压和垂直有效压力之间的关系计算古围压。

具体地，依据古埋深和古岩石密度来计算古垂直有效压力。进一步，古垂直有效压力可通过如下表达式来计算：

其中，σ'_v(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的垂直有效压力。

然后，依据水平有效压力(围压)与垂直有效压力之间的关系计算古围压，进一步，通过如下表达式来计算古围压：

P_(Z,t)＝σ_h(Z,t)＝σ'_v(Z,t)×μ/(1-μ) 式(4)

P_(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的围压，单位为MPa；μ为泊松比；σ'_v(Z,t)为地质时间t、埋深为Z时的垂直有效压力，单位为MPa；

步骤S130，通过对试验测试数据进行拟合，获得围压对泥页岩抗压强度影响的数学模型，并以此数学模型对抗压强度进行地层条件下泥页岩抗压强度的校正，并引入时间变量，从而获得古抗压强度。

首先，建立抗压强度-孔隙度模型。

具体地，依据实际测试抗压强度与孔隙度数据，采用数学函数拟合方法获得泥页岩单轴抗压强度与孔隙度之间的数学模型。在本实施例中，选用幂函数模型进行拟合获得泥页岩抗压强度与孔隙度之间的数学模型(详见图2)，该数学模型可如下表达式所示：

UCS＝2.441φ^-0.83，R²＝0.686 式(5)

UCS为无围压时的抗压强度(MPa)，φ为孔隙度(％)，R²为相关系数。

图2为泥页岩抗压强度与孔隙度的关系图。由图2可见，抗压强度与孔隙度之间呈指数函数关系。

然后，引入时间参数，则抗压强度-孔隙度模型变形为如下：

接下来，建立古抗压强度校正模型。

由于实验数据为无围压时的抗压强度(UCS)，而围压对抗压强度具有显著影响，因此，需要对UCS进行地层条件下的校正，校正方法具体为：采用三轴力学试验获得围压下的抗压强度，建立抗压强度与对应围压之间的数学模型(详见图3)，该数学模型可如下表达式所示：

σ_cp＝UCS+aP 式(7)

其中，σ_cp即围压为P时的抗压强度，单位为MPa；a为经验系数，由实测的单轴抗压强度和孔隙度拟合得到，与地层岩性及成岩演化有关。举例来说，对于四川盆地志留系泥页岩，a介于1.1-1.8之间，平均为1.5。

图3(a)、(b)、(c)、(d)分别为温度是0℃、50℃、100℃、130℃下围压对泥页岩抗压强度影响关系图，其中，横坐标为围压，纵坐标为抗压强度。从图3中可以看出，抗压强度与围压之间为线性正相关关系。

接下来，校正并获得古抗压强度的计算表达式。

由于利用式(6)计算的地质历史时期的抗压强度是没有经过校正的，但是 抗压强度还受围压的影响，因此，此处利用式(7)来校正式(6)的UCS_(Z,t)得到下式(8)的σ_cp(Z,t)，即古抗压强度。

σ_cp(Z,t)＝UCS_(Z,t)+aP_(Z,t) 式(8)

其中，σ_cp(Z,t)为地质时间t、埋深为Z的围压P_(Z,t)时的抗压强度，UCS_(Z,t)为由孔隙度预测的地质时间t、埋深为Z时的抗压强度。

利用校正后的UCS_(Z,t)，计算不同地质历史时期的抗压强度，即为古抗压强度。

本发明实施例的方法解决了沉积盆地动态演化过程中泥页岩力学性质的动态演化过程恢复问题，获得了地质历史时期泥页岩的古抗压强度参数，是研究泥页岩裂缝动态演化的关键参数，将这些参数与应力的动态演化相结合，即可揭示泥页岩裂缝的动态演化过程，从而为保存条件有效性动态演化评价和页岩气成藏条件分析提供了关键参数。

(示例)

图4为鄂西渝东地区建深1井志留系底部古抗压强度确定结果。如图4所示，建深1井志留系底部泥页岩自沉积之后，随着埋深的增加，成岩演化程度增加，在早白垩世末达到最大埋藏深度。自沉积开始至早白垩世末，抗压强度逐渐增加、增大。在最大埋深时，抗压强度为215MPa。晚白垩世以来抗压强度有所降低，现今的抗压强度为165MPa。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明技术方案而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。