一种富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复方法与流程

本发明属于非常规油气勘探开发领域，特别涉及一种富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复方法。

背景技术：

国内外非常规油气勘探实践表明，泥页岩储集油气能力的大小主要取决于其孔隙发育情况和裂缝发育程度，因此确定泥页岩地层孔隙度大小是非常规勘探的重点工作。根据对泥页岩孔隙成因的类型可将泥页岩储集空间分为无机矿物质孔、有机孔和裂缝三种类型。其中，无机矿物质孔主要指地层沉积成岩过程中粒间孔隙，粒间孔隙受上覆地层压实作用影响。有机质孔主要发育在有机质颗粒内部，主要是有机质在生烃演化过程中形成的孔隙，生烃作用是该类孔隙发育的主控因素。裂缝主要包括构造缝、层理缝以及有机质生烃微裂缝等，其中构造缝及层理缝隙的主控因素为地应力作用，有机质生烃微裂缝受控于生烃作用。

盆地油气资源评价特别是非常规页岩油气选区评价工作中，恢复富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程，确定地质演化过程中任意时刻泥页岩不同成因机制孔隙度变化规律，对页岩油气勘探选取工作具有重要意义，同时该项工作也是开展非常规页岩油气盆地模拟的基础。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一就是如何具体实现不同成因类型孔隙度的演化过程的恢复。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例首先提供了一种富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复方法，包括：

在目标工区的目的层内采样得到多个样品，并获取分别对应于每个样品的的一组实测数据，以及所述目的层的应力场分布数据；

根据所有样品的实测数据获得有机碳恢复系数关于成熟度的第一关系表达式，以及生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式；

根据所述第一关系表达式与所述第二关系表达式，建立所述生烃孔隙度关于所述成熟度的第一数学模型；

根据所述第二关系表达式及所述应力场分布数据，建立所述构造孔隙度关于构造应力的第二数学模型；

根据所述第一数学模型、所述第二数学模型以及泥页岩压实模型，确定所述目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的孔隙度的数值。

优选地，所述实测数据包括埋深、成熟度、残余有机碳以及总孔隙度；所述应力场分布数据包括根据所述目的层的构造埋深、地层厚度、岩性及实测的应力数据，并采用薄板弯曲模型模拟计算得到的数据。

优选地，所述根据所有样品的实测数据获得有机碳恢复系数关于成熟度的第一关系表达式，以及生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式，具体包括：

根据所有样品的残余有机碳，并采用有机碳恢复方法以及统计回归方法，建立有机碳恢复系数关于成熟度的所述第一关系表达式；

根据所有样品的埋深，基于泥岩压实模型计算得到粒间孔隙度，并基于所述粒间孔隙度与所述总孔隙度，计算得到生烃孔隙度与构造孔隙度的和；

基于所述第一关系表达式与所述残余有机碳的实测数据，计算得到生烃演化所消耗的有机碳；

基于所述生烃孔隙度与构造孔隙度的和以及所述生烃演化所消耗的有机碳建立两者之间的关系图版，并采用统计回归方法建立生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的所述第二关系表达式。

优选地，基于如下表达式建立所述第一关系表达式：

f恢复(ro(x,y))＝a1(ro(x,y))³+a2(ro(x,y))²+a3ro(x,y)+a4

其中，f恢复(ro(x,y))表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述有机碳恢复系数，ro(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述成熟度，

a1、a2、a3、a4分别表示通过统计回归确定的系数。

优选地，基于如下表达式建立所述第二关系表达式：

φ生+构(δc)＝b1δc+b2

其中，φ生+构(δc)表示生烃孔隙度与构造孔隙度的和，δc表示生烃消耗的有机碳，

b1、b2分别表示通过统计回归确定的系数。

优选地，基于如下表达式建立所述第一数学模型：

φ生(x,y)＝φ生+构((f恢复(ro(x,y))-1)·toc残(x,y))-φ构(x,y)

其中，φ生+构(·)表示所述生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式，

f恢复(ro(x,y))表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述有机碳恢复系数，

ro(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述成熟度，

toc残(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述残余有机碳，

φ生(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述生烃孔隙度，

φ构(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述构造孔隙度。

优选地，所述根据所述第二关系表达式及所述应力场分布数据，建立构造孔隙度关于构造应力的第二数学模型，具体包括：

基于所述第二关系表达式，获得未发生生烃演化时的构造孔隙度的值，以及根据所述应力场分布数据，得到所述目的层内的构造应力的取值范围；

设定所述目的层内的所述构造孔隙度的取值范围以及与所述未发生生烃演化时的构造孔隙度的值相对应的构造应力值，并基于构造孔隙度的大小与构造应力正向相关的假设以及所述构造应力的取值范围，建立所述第二数学模型。

优选地，基于如下表达式建立所述第二数学模型：

其中，φ构(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述构造孔隙度，

p(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述构造应力，

φ构0表示所述未发生生烃演化时的构造孔隙度的值，p0表示与所述未发生生烃演化时的构造孔隙度的值相对应的构造应力值，

p1与p2分别表示对应于所述构造应力的取值范围的最小值与最大值，

φ构1与φ构2分别表示对应于所述构造孔隙度的取值范围的最小值与最大值。

优选地，所述根据所述第一数学模型、所述第二数学模型以及泥页岩压实模型，确定所述目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的孔隙度的数值，具体包括：

采用盆地模拟的方法，获取所述目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的成熟度、构造应力以及埋深的演化数据；

将所述演化数据应用于所述第一数学模型、所述第二数学模型以及泥页岩压实模型，以获得所述目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的构造孔隙度、生烃孔隙度与粒间孔隙度。

本发明通过应用地质勘探中较容易获得的构造埋深、地层厚度、岩性、应力数据及钻井实测成熟度、残余有机碳、总孔隙度的数据，结合盆地模拟技术，实现了不同成因类型孔隙度演化过程的恢复，为盆地油气资源评价及非常规页岩油气选区评价提供了依据。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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是根据本发明一实施例的富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复方法的流程图；

图2是根据本发明一实施例的有机碳恢复系数与成熟度的拟合图；

图3是根据本发明一实施例的生烃孔隙度与构成孔隙度的和-生烃消耗的有机碳的图版；

图4是渤海湾盆地xx层当前总孔隙度分布图；

图5是渤海湾盆地xx层当前粒间孔隙度分布图；

图6是渤海湾盆地xx层当前生烃孔隙度分布图；

图7是渤海湾盆地xx层当前裂缝孔隙度分布图；

图8是渤海湾盆地xx钻井实测总孔隙度与计算孔隙度的比较图。

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。

如前所述，根据泥页岩孔隙成因的类型，可将泥页岩储集空间分为无机矿物质孔、有机孔和裂缝三种类型。

在本发明中，用粒间孔隙度φ粒表示受上覆地层压实作用影响的无机矿物质孔的大小。用生烃孔隙度φ生表示受生烃作用影响的有机质孔及生烃微裂缝的大小。用构造孔隙度φ构表示受应力作用影响的构造缝及层理缝的大小。根据泥岩孔隙构成的认识做如下假设，泥页岩地层总孔隙度φ泥，满足以下表达式(1)所示：

φ泥＝φ粒+φ生+φ构(1)

本发明实施例所提供的富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复方法分别恢复得到粒间孔隙度、生烃孔隙度以及构造孔隙度的演化过程，下面结合图1详细说明。

如图1中步骤s110所示，进行富含有机质泥页岩孔隙度的演化过程的恢复，首先需在目标工区的目的层内，进行取样作业。这里的目标工区指的是具有富含有机质泥页岩层的一片勘探区域，目的层指被研究的富含有机质泥页所在的地层。

实际取样时，可以通过钻井取芯进行取样作业，本实施例中，在目标工区内一个钻井点的目的层深度区域进行取芯作业，以采样得到多个样品。记录各样品取样时的实际采取信息，并对取样后的各样品进行测量，将这些信息和测量后的结果进行整理，以获取分别对应于每个样品的的一组实测数据。此外，还需通过地质勘探以及间接计算，获得目的层的应力场分布数据。

具体的，每个样品的实测数据包括取样时样品的埋深，取样后实测获得的样品的成熟度、残余有机碳以及总孔隙度。

而应力场分布数据包括根据目的层的构造埋深、地层厚度、岩性及实测的应力数据，并采用薄板弯曲模型模拟计算得到的数据。需要说明的是，本实施例中，应力场分布数据是目标工区内目的层平面应力场分布数据，这种数据在纵向上表现为平均值与深度无关。模拟计算得到目的层的应力场分布数据后，就可以根据目的层所在地层的一平面点坐标(如一钻井点的平面坐标)获得一个构造应力值。这种应力场模拟计算的方法可见于公开发布的文献，在此不在赘述。

接下来，如图1中步骤s120所示，对获得的样品实测数据进行整理及处理，根据所有样品的实测数据获得有机碳恢复系数关于成熟度的第一关系表达式，以及生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式。具体包括：

建立第一关系表达式

本实施例中，先根据每个样品的残余有机碳的实测数据，应用地球化学实验方法建立样品原始有机碳与残余有机碳之间的关系，进而得到每个样品的有机碳恢复系数，该方法是目前有机碳恢复研究中较成熟的方法，多见于文献，在此不做赘述。

根据得到的每个样品的有机碳恢复系数，和每个样品的成熟度，采用统计回归方法进行曲线拟合，建立有机碳恢复系数关于成熟度的第一关系表达式。

在一个具体的实施例中，有机碳恢复系数与成熟度的拟合关系具有如表达式(2)所示的形式：

f恢复(ro(x,y))＝a1(ro(x,y))³+a2(ro(x,y))²+a3ro(x,y)+a4(2)

其中，f恢复(ro(x,y))表示目的层内对应于地质点(x,y)处的有机碳恢复系数，ro(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的成熟度，a1、a2、a3、a4分别表示通过统计回归确定的系数。

举例而言，图2示出根据一次具体采样样品所进行的拟合情况，图中横坐标表示的是每个样品的成熟度，纵坐标表示的是每个样品的有机碳恢复系数，采用统计回归方法进行曲线拟合，最终得到a1＝0.264，a2＝-1.704，a3＝3.647，a4＝-0.801。

建立第二关系表达式

本实施例中，先采用athy泥岩压实模型来计算样品的粒间孔隙度，基于athy泥岩压实模型，根据以下表达式(3)，应用每个样品的埋深，计算得到每个样品的粒间孔隙度。

φ粒＝a·e^-b·h(3)

其中，h表示埋深；a为初始泥岩粒间孔隙度，b为压实系数。

在得到每个样品的粒间孔隙度之后，根据泥岩孔隙构成的假设，也即表达式(1)，将实测获得的每个样品的总孔隙度对应减去计算得到每个样品的粒间孔隙度，就得到了每个样品的生烃孔隙度与构造孔隙度的和，构成一组生烃孔隙度与构造孔隙度的和的数据。

此外，基于原始有机碳、残余有机碳、生烃演化消耗的有机碳和有机碳恢复系数的概念的定义，这四者之间关系满足如下表达式(4)与(5)，

toc原＝f恢复·toc残(4)

δc＝toc原-toc残(5)

表达式(4)、(5)中，toc原、toc残、δc分别表示原始有机碳、残余有机碳及生烃演化消耗的有机碳,f恢复表示有机碳恢复系数。

进而在本实施例中，根据表达式(4)，基于建立的第一关系表达式(2)，可将每个样品的残余有机有机碳恢复为每个样品的原始有机碳。再根据表达式(5)，计算得到每个样品的生烃演化所消耗的有机碳，这些数据构成一组生烃演化所消耗的有机碳的数据。

在获得每个样品的生烃孔隙度与构造孔隙度的和、以及每个样品的生烃演化所消耗的有机碳之后，基于获得的两组数据，建立生烃孔隙度与构造孔隙度的和以及生烃演化所消耗的有机碳两者之间的图版。并采用统计回归方法建立生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式。

在一个具体的实施例中，生烃孔隙度与构造孔隙度的和与生烃消耗的有机碳之间的关系具有如表达式(6)所示的形式：

φ生+构(δc)＝b1δc+b2(6)

其中，φ生+构(δc)表示生烃孔隙度与构造孔隙度的和，δc表示生烃消耗的有机碳，b1、b2分别表示通过统计回归确定的系数。

举例而言，图3示出根据一次具体采样样品所建立的生烃孔隙度与构造孔隙度的和-生烃演化所消耗的有机碳两者之间的图版，图中横坐标表示每个样品的生烃演化所消耗的有机碳，纵坐标表示每个样品的生烃孔隙度与构造孔隙度的和，最终通过统计回归方法得到b1＝1.348，b2＝3.221。

之后继续参考图1中步骤s130，根据第一关系表达式与第二关系表达式，建立生烃孔隙度关于成熟度的第一数学模型。

第一关系表达式表示的是有机碳恢复系数与成熟度的关系，第二关系表达式表示的是生烃孔隙度与构造孔隙度的和与生烃消耗的有机碳的关系，基于这种表示关系以及表达式(4)与(5)，可以得到第一数学模型，如下表达式(7)所示：

φ生(x,y)＝φ生+构((f恢复(ro(x,y))-1)·toc残(x,y))-φ构(x,y)(7)

其中，φ生+构(·)表示生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的第二关系表达式，

f恢复(ro(x,y))表示目的层内对应于地质点(x,y)处的所述有机碳恢复系数，

ro(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的成熟度，

toc残(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的残余有机碳，

φ生(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的生烃孔隙度，

φ构(x,y)表示目的层内对应于地质点(x,y)处的构造孔隙度。

本实施例中，假设目的层内对应于地质点(x,y)处的构造孔隙度φ构(x,y)为已求知的数据，将表达式(2)和表达式(6)实际带入表达式(7)进行变换，可得到一个生烃孔隙度关于成熟度的第一数学模型，该第一数学模型表达了富含有机质泥岩的目的层内有机质孔及生烃微裂缝的发育程度与成熟度大小的关系。

之后继续参考图1中步骤s140，进行构造孔隙度关于构造应力的第二数学模型的建立，根据第二关系表达式及应力场分布数据，建立第二数学模型。

具体的，第二关系表达式表示的是生烃孔隙度与构造孔隙度的和关于生烃消耗的有机碳的关系，且已知生烃作用影响生烃孔隙度的大小，因此，若未发生生烃演化，则没有消耗有机碳，生烃消耗的有机碳为零，且这时生烃孔隙度应为零。

在第二关系表达式(6)中，令生烃消耗的有机碳，即δc为零，由于此时生烃孔隙度为零，则生烃孔隙度与构造孔隙度的和中只有构造孔隙度，因此可以得到未发生生烃演化时的构造孔隙度的值。

前面已提到根据应力场分布数据及目的层的一平面坐标可得到一个构造应力值，且作为一种场分布数据，因此根据根据应力场分布数据，容易得到目的层内的构造应力的取值范围。通过对目的层的地质分析，设定目的层的构造孔隙度的取值范围。并在上述得到的构造应力的取值范围内选取一构造应力值，设定该构造应力值为与未发生生烃演化时的构造孔隙度的值对应的构造应力值。

由于构造缝及层理缝隙的发育程度与构造应力正向相关。构造应力值越大，则构造孔隙度越大；构造应力值越小，则构造孔隙度越小。在本实例中，基于该假设，根据上述设定的值及获得的构造应力范围值，建立的第二数学模型如以下表示式(8)所示：

其中，φ构(x,y)表示目的层内地质点(x,y)处的构造孔隙度，

p(x,y)表示目的层内地质点(x,y)处的构造应力，

φ构0表示未发生生烃演化时的构造孔隙度的值，p0表示与未发生生烃演化时的构造孔隙度的值相对应的构造应力值，

p1与p2分别表示对应于构造应力的取值范围的最小值与最大值，

φ构1与φ构2分别表示对应于构造孔隙度的取值范围的最小值与最大值。

通过步骤s140获得第一数学模型和第二数学模型之后，根据第一数学模型、第二数学模型以及泥页岩压实模型，对目的层内地质点的成熟度、构成应力、埋深进行推演，从而确定目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的孔隙度的数值，如图1中步骤s150所示。

具体的，采用盆地模拟的方法，模拟目的层的热史、生烃过程，以获得目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的成熟度。

采用盆地模拟的方法，模拟目的层的应力演化史，根据目的层的地质演化的各历史阶段的构造埋深、地层厚度计算得到地质演化的各个历史阶段的应力场分布，进而获得目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的构造应力。

采用盆地模拟的方法，模拟目的层的埋藏史，获取目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的埋深。

将模拟获得的成熟度、构造应力、埋深的演化数据应用于第一数学模型、第二数学模型以及泥页岩压实模型，即对应应用于表达式(7)、表达式(8)和表达式(3)，就可获得目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的构造孔隙度、生烃孔隙度与粒间孔隙度，也即恢复了不同成因机制孔隙度的演化过程。

该过程可用以下表达式(9)、(10)、(11)表述，三个表达式分别为表达式(7)、(8)、(3)的推演形式，即将地质点(x,y)推演为于演化时间t的地质点(x,y)，其余符号含义不变，特别的其中toc残(x,y)为现今目的层内地质点(x,y)处的残余有机碳。

φ生(x,y,t)＝φ生+构((f恢复(ro(x,y,t))-1)·toc残(x,y))-φ构(x,y,t)(9)

ф粒(x,y,t)＝a·e^-b·h(x,y,t)(11)

进而根据泥页岩地层总孔隙度构成的表达式(1)，可得到总孔隙度的推演形式，如以下表达式所示：

ф泥(x,y,t)＝ф粒(x,y,t)+ф生(x,y,t)+ф构(x,y,t)(12)

根据表达式(12)，结合表达式(9)、(10)、(11)，可得到目的层内每个地质点在其地质演化的各个历史阶段中的总孔隙度。

本发明上述实施例中提及的盆地模拟方法、有机碳恢复方法、泥岩压实模型、薄板弯曲模型都为现有技术，因此在本发明实施例中并未详细述及。本发明提及的盆地模拟埋藏史、热史、生烃过程是为了获得孔隙度计算中的输入数据。通过有机碳恢复方法获得有机碳恢复系数与成熟度的关系，应用薄板弯曲模型模拟而获得对应力场，结合盆地模拟获得地质演化中各时期应力场分布数据。上述输入数据的获取不限于发明中提及的获取方法，而获取上述数据时所采用的具体方法，也不限于本发明实施例中所提及的方法。

本发明通过应用地质勘探中较容易获得的构造、地层厚度、岩性、应力场分布数据及钻井实测成熟度、残余有机碳、总孔隙度数据，结合盆地模拟技术，实现了不同成因类型孔隙度的演化过程的恢复，为盆地油气资源评价及非常规页岩油气选区评价提供了依据。

此外，在本发明的另一个实施例中，还可采用建立图版、通过统计回归的方法来建立第二数学模型。

具体地，在目标工区内设置多个钻井点，针对每个钻井点，采用前述方法，获得对应于每个钻井点的第二关系表达式。

根据得到的多个第二关系表达式，采用前述方法，可获得多个未发生生烃作用时的构造孔隙度的值。再根据得到的目的层的应力场分布数据得到对应每个钻井点的构造应力值。将获得的构造应力值与相应钻井点未发生生烃作用时的构造孔隙度的值一一对应，建立构造应力与构造孔隙度的图版，最终采用统计回归的方法建立第二数学模型。

将本发明实施例所提出的恢复方法实际应用于渤海湾盆地富含有机质泥页岩孔隙度的预测中，具体为，针对渤海盆地xx层的泥页岩层，对其孔隙度的演化过程进行恢复。根据该泥页岩层的地层平面数据，将对应地质点的成熟度、残余有机碳、构成应力等数据输入模型，而计算得到的三种类型孔隙度及总孔隙度，这些计算结果数据也均为目的层相应点对应的孔隙度的平均值，实施效果如图4、图5、图6以及图7所示。可以看出，本发明提出的恢复方法有效地实现了目的层不同类型成因机制孔隙度计算。

进一步地，当针对渤海盆地xx井xx层的泥岩总孔隙度进行计算时，将该井不同深度的成熟度、残余有机碳、构成应力等数据作为模型输入数据，计算得到的不同深度的总孔隙度值与钻井实测不同深度的总孔隙度进行比较，比较的结果如图8所示。从图8中可以看出，采用本实施例的恢复方法所得到的恢复结果与实测钻井数据结果具有良好的一致性，进一步表明了本发明提出的方法具有较高的可靠性。

此外，本发明实施例中的恢复方法，对于目标工区内中富含有机质泥页岩层实际厚度不超过500米的应用场景，演化过程恢复的效果较佳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。