一种分析页岩地层岩石物理各向异性的方法与流程

本发明涉及地质勘探领域，具体涉及一种分析页岩地层岩石物理各向异性的方法。

背景技术

在进行地质资源的开发利用的过程中，为了确认地质资源点的开发价值、制定开发计划，需要获取地质资源点真实、详细的岩石物理特性。

但是，由于地层岩石的不可见性，通常技术人员是通过对实验测定或测井资料解释来对实际的地质资源点的岩石物理特性进行间接描述。或者进一步的，对实验测定或测井资料解释进行进一步分析，利用分析结果来预测实际的地质资源点的岩石物理特性。因此，在进行地质资源的开发利用前，需要针对实验测定或测井资料解释进行分析，获取尽可能详尽、准确的分析结果。针对实验测定或测井资料解释的分析结果会直接影响到最终得出的地质资源点的岩石物理特性描述。

技术实现要素：

本发明提供了一种分析页岩地层岩石物理各向异性的方法，所述方法包括：

(1)收集实验测定或测井资料解释的页岩地层矿物含量、干酪根含量、孔隙流体含量和孔隙结构，所述矿物含量包含定向排列粘土、非定向排列粘土以及骨架矿物的含量；

(2)计算所述骨架矿物的等效弹性模量；

(3)计算所述骨架矿物以及所述非定向排列粘土的混合矿物的等效弹性模量；

(4)基于所述混合矿物的等效弹性模量和所述孔隙结构计算干岩石的等效弹性模量；

(5)基于所述孔隙流体含量以及所述干酪根含量计算混合流体的等效弹性模量，所述混合流体包括油、气、水以及干酪根；

(6)基于所述混合流体的等效弹性模量以及所述干岩石的等效弹性模量计算饱和岩石的等效弹性模量；

(7)结合由粘土矿物颗粒定向排列所引起的各向异性，基于定向排列的粘土含量以及所述饱和岩石的等效弹性模量计算页岩地层各向异性介质的等效弹性模量；

(8)基于所述页岩地层各向异性介质的等效弹性模量计算水平和垂直方向上的纵横波速度以及各向异性参数。

在一实施例中，在所述步骤(1)中所述定向排列粘土、所述非定向排列粘土含量以及所述孔隙结构由电镜扫描方法确定。

在一实施例中，在所述步骤(2)中用vrh模型计算所述骨架矿物的等效弹性模量。

在一实施例中，在所述步骤(3)中用dem模型计算所述混合矿物的等效弹性模量。

在一实施例中，在所述步骤(4)中用sca模型计算所述干岩石的等效弹性模量。

在一实施例中，所述孔隙结构包括球状孔隙、硬币状孔隙、盘状孔隙和针状孔隙四种孔隙类型及其纵横比参数。

在一实施例中，在所述步骤(5)中采用wood模型计算所述混合流体的等效弹性模量。

在一实施例中，在所述步骤(6)中利用gassmann模型计算所述饱和岩石的等效弹性模量。

在一实施例中，在所述步骤(7)中用backus平均模型计算由粘土矿物颗粒定向排列所引起的各向异性。

在一实施例中，在所述步骤(4)中利用dem或k-t模型计算所述干岩石的等效弹性模量。

根据本发明的方法可以分析页岩地层岩石物理各向异性；相较于现有技术，本发明的方法过程简单、结果准确、实现难度低。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分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步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中页岩岩石物理建模流程图；

图2是根据本发明一实施例的建模流程图；

图3根据本发明一实施例的方法步骤流程图；

图4根据本发明一实施例的页岩地层岩石力学各向异性型解释成果图。

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，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

在进行地质资源的开发利用的过程中，为了确认地质资源点的开发价值、制定开发计划，需要获取地质资源点真实、详细的岩石物理特性。

但是，由于地层岩石的不可见性，通常技术人员是通过对实验测定或测井资料解释来对实际的地质资源点的岩石物理特性进行间接描述。或者进一步的，对实验测定或测井资料解释进行进一步分析，利用分析结果来预测实际的地质资源点的岩石物理特性。因此，在进行地质资源的开发利用前，需要针对实验测定或测井资料解释进行分析，获取尽可能详尽、准确的分析结果。针对实验测定或测井资料解释的分析结果会直接影响到最终得出的地质资源点的岩石物理特性描述。

本发明提出了一种分析页岩地层岩石物理各向异性的方法。

各向异性(vti)岩石物理模型的输入输出参数通常为刚度矩阵c或柔度矩阵s(s＝c^-1)，刚度矩阵中含有5个独立的弹性参数(c11、c13、c33、c55和c66)：

通过提取矩阵内的弹性参数可用于计算不同方向上的纵横波速度

其中，vp表示p波或纵波，vsh表示sv波或横波。

进一步的，描述vti介质性质的五个弹性各向异性模量c11、c13、c33、c55和c66可重新组合成其它五个参数，即垂直各向同性平面的p波和sv波速度vp0、vsv0，以及三个无量纲的thomsen各向异性参数ε、δ、γ。

thomsen各向异性参数ε、δ、γ表达式为：

ε为纵波各向异性，是度量准纵波各向异性强度的参数；γ为横波各向异性，是度量准横波各向异性或横波分裂强度的参数；δ为纵波变异系数，表示纵波在垂直方向各向异性变化的快慢程度。当取各向同性极限时ε、δ、γ趋于零。thomsen所列的数据中绝大多数实际岩石都表现为弱各向异性，即ε、δ、γ<<1。

本发明的方法根据页岩地层的矿物组分、孔隙结构和流体性质，采用岩石物理响应模型，将地层中随机分布的、不同排列方式、不同孔隙结构的矿物逐步加入到岩石基质中，逐步地，利用各种等效介质岩石物理模型计算页岩地层的等效弹性模量。从而方便地计算不同页岩地层的纵、横波速度及其各向异性性质参数，并进而分析页岩地层岩石物理各向异性。根据本发明的方法可以分析页岩地层岩石物理各向异性；相较于现有技术，本发明的方法过程简单、结果准确、实现难度低。

在现有技术中，要想用理论方法的方法来预测岩石骨架和孔隙组成的混合物的等效弹性模量，一般需要知道：(1)组成岩石骨架部分的体积含量；(2)每种岩石骨架成分的弹性模量；(3)岩石骨架之间即孔隙度的几何形态。

针对barnett页岩，现有技术中提出了一种较为全面的岩石物理建模流程。流程中，首先用sca或dem模型计算粘土与束缚水混合物的等效弹性模量，用kt模型计算干酪根与相关流体混合物的等效弹性模量，流体包括油、气、水三种，混合后的等效弹性模量用wood方程求取。其次，随机分布的矿物颗粒和孔隙流体组成的各向同性物质由sca或dem模型来获取。最后，用backus平均模型考虑由粘土矿物与干酪根颗粒定向排列所引起的vti各向异性。该建模思路的最大特点在于将粘土矿物和有机物质干酪根分为两部分，一部分随机分布，一部分定向排列。随机分布的粘土和干酪根与其它矿物，如石英、方解石、白云石以及随机分布的各类孔隙，如球形孔隙、粒间孔、裂隙共同组成一个各向同性的岩石骨架。在此基础上，根据水平定向排列的粘土矿物和干酪根颗粒可将岩石理想化为具有垂直对称轴的横向各向异性介质(vti)。现有的有机页岩岩石物理建模流程如图1所示。

本发明根据页岩地层的矿物组分、定向及非定向粘土含量、孔隙结构和流体性质，采用岩石物理响应模型，建立了页岩地层纵横波速度及岩石物理各向异性模拟流程，如图2所示。页岩地层主要包含岩石骨架(砂岩、碳酸盐、黄铁矿等)、粘土、干酪根以及流体。岩石骨架与非定向排列的粘土即构成干岩石。干岩石具有孔隙，假设干酪根作为孔隙的一部分，把页岩地层的干酪根和其他流体(油、气、水)加入到干岩石中，加入了干酪根和其他流体以后干岩石就变成了饱和岩石。结合由粘土矿物颗粒定向排列所引起的各向异性就可以分析饱和岩石的各向异性。

接下来基于附图详细描述根据本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，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。

如图3所示，在一实施例中，本发明的步骤包括：

(1)收集实验测定或测井资料解释的页岩地层矿物含量、干酪根含量、孔隙流体含量和孔隙结构，所述矿物含量包含定向排列粘土、非定向排列粘土以及骨架矿物的含量(s110)；

(2)计算骨架矿物的等效弹性模量(s120)；

(3)计算骨架矿物以及非定向排列粘土的混合矿物的等效弹性模量(s130)；

(4)基于混合矿物的等效弹性模量以及孔隙结构计算干岩石的等效弹性模量(s140)；

(5)基于孔隙流体含量以及干酪根含量计算混合流体的等效弹性模量(s150)，具体的，混合流体包括油、气、水以及干酪根。；

(6)基于混合流体的等效弹性模量以及干岩石的等效弹性模量计算饱和岩石的等效弹性模量(s160)；

(7)结合由粘土矿物颗粒定向排列所引起的各向异性(s171)，基于定向排列粘土的含量以及饱和岩石的等效弹性模量计算页岩地层各向异性介质的等效弹性模量(s170)；

(8)基于页岩地层各向异性介质的等效弹性模量计算水平和垂直方向上的纵横波速度以及各向异性参数(s180)。

进一步的，在一实施例中，在步骤s120中，用vrh模型计算骨架矿物的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s130中，用dem模型计算骨架矿物以及非定向排列粘土的混合矿物的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s140中，用sca模型计算干岩石的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s150中，采用wood模型计算混合流体的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s160中，利用gassmann模型计算饱和岩石的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s170中，用backus平均模型计算由粘土矿物颗粒定向排列所引起的各向异性。

在一实施例中，在步骤s180中，根据页岩地层vti各向异性介质的等效弹性模量(vti介质刚度矩阵内的等效弹性参数)，计算出岩地层的thomsen各向异性参数ε、δ、γ。

进一步的，在一实施例中，在步骤s110中定向排列粘土、非定向排列粘土含量和孔隙结构由电镜扫描方法确定。。

进一步的，在一实施例中，孔隙结构包括孔隙类型以及对应的孔隙纵横比。具体的，在一实施例中，孔隙结构包括球状孔隙、硬币状孔隙、盘状孔隙和针状孔隙四种孔隙类型，及其纵横比参数。在步骤s110获取页岩底层的实际孔隙结构并在步骤s140中将具体的类型孔隙类型及其纵横比参数代入以计算干岩石的等效弹性模量。

进一步的，在一实施例中，在步骤s140中也可以利用除sca模型以外的岩石物理模型进行计算。具体的，在一实施例中，在步骤s140中利用dem或k-t模型计算干岩石的等效弹性模量。

综上，在本发明一实施例中，针对页岩地层岩石物理特性的分析过程如下：

(1)收集实验测定或测井资料解释的页岩地层定向排列粘土、随机分布粘土、砂岩、碳酸盐和黄铁矿等矿物含量，以及地层中干酪根和孔隙流体含量；

(2)用vrh模型计算砂岩、碳酸盐和黄铁矿等骨架矿物的等效弹性模量；

(3)用dem模型计算骨架矿物与非定向排列粘土的混合矿物的等效弹性模量；

(4)考虑干岩石的不同孔隙结构(球状、硬币状、盘状和针状孔隙类型及其纵横比参数)，利用sca、dem或k-t模型计算干岩石的等效弹性模量；

(5)采用wood模型计算地层中油、气、水以及干酪根的混合流体的等效弹性模量；

(6)把页岩地层的混合流体(油、气、水以及干酪根)加入到干岩石中，干岩石就变成了饱和岩石，利用gassmann模型求得饱和岩石的等效弹性模量；

(7)因为定向排列的粘土将导致页岩地层的各向异性，用backus平均模型考虑由粘土矿物颗粒定向排列所引起的vti各向异性，从而计算出页岩地层vti各向异性介质的等效弹性模量；

(8)根据页岩地层vti各向异性介质的等效弹性模量(vti介质刚度矩阵内的等效弹性参数)，计算出水平和垂直方向上的纵横波速度；

(8)根据vti介质性质的弹性参数，计算页岩地层的thomsen各向异性参数ε、δ、γ。

在一应用场景中，如图4所示，页岩地层矿物含量和孔隙流体采用某页岩气井元素测井和常规测井解释的结果，利用sca模型和硬币状孔隙结构模拟了页岩地层的水平方向和垂直方向的杨氏模量、泊松比、纵、横波时差，以及页岩地层的各向异性系数。图中ε为纵波各向异性，是度量准纵波各向异性强度的参数，在页岩层段ε在0.5～0.8之间，说明纵波的各向异性较强；γ为横波各向异性，是度量准横波各向异性或横波分裂强度的参数，在页岩层段γ在0.8～1.0之间，说明横波的各向异性很强；δ为纵波变异系数，表示纵波在垂直方向各向异性变化的快慢程度，在页岩层段δ<0，说明纵波在垂直方向各向异性较小。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。