一种碳酸盐岩孔隙成分分析方法及系统与流程

本发明属于岩石物理领域，具体涉及一种碳酸盐岩孔隙成分分析方法及系统。

背景技术：

碳酸盐岩储层的形成往往经历了复杂的地质作用、生物作用和化学作用，孔隙类型要比砂岩复杂得多。早期形成原生孔隙与后期改造引起的次生孔隙往往是伴生的。碳酸盐岩的孔隙成分是推演地质演化过程和指导地震资料解释的重要依据，也是评价优质储层经济价值的重要指标。

中国专利公开文献201610573709.x公开了一种碳酸盐岩储层溶蚀孔隙体积含量预测方法，该方案仅仅考虑了溶蚀孔一种孔隙的含量。工业广泛应用的孔隙空间分析方法为对岩心进行ct扫描后做数量统计。这类方法在准确度较高的同时也带来了巨大的时间成本和人工计算成本。并且始终不能突破尺度局限，也就是说只能局限在实验室内做小范围统计，无法推广到测井或地震等大规模数据。这样一来就不利于地质人员对较大范围内的沉积演化过程进行推演。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种碳酸盐岩孔隙成分分析方法及系统，重点解决如何在大规模开展微观结构扫描实验之前，利用声波速度估算多种孔隙类型伴生的油藏环境中每种孔隙类型所占的体积分数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳酸盐岩孔隙成分分析方法，包括：

(1)采集碳酸盐岩的岩心，对岩心进行测量，获得实验纵波速度和实验横波速度；

(2)建立等效介质模型，利用等效介质模型进行预测得到预测纵波速度和预测横波速度；

(3)利用预测纵波速度和预测横波速度与实验纵波速度和实验横波速度反演得到岩心中的每种孔隙类型的体积含量。

所述步骤(2)的操作包括：

(21)建立微分方程：

其中，表示岩心的总孔隙度；α是孔隙纵横比；

k和μ表示主相材料的体积模量和剪切模量；

k’和μ’表示加入孔隙之后材料的体积模量和剪切模量；

l表示不同的孔隙类型，l∈[mips]，m，ip和s分别为针对微裂缝型孔隙、粒间孔型孔隙和溶蚀孔型孔隙；

tiijj和f是材料中对同一入射波的散射波场，其中tiijj是胀缩力引起的散射波场，f是剪切力引起的散射波场；

(22)计算所述微分方程的初始条件：k(0)＝km和μ(0)＝um：

式中，k和u分别为体积模量和剪切模量，下标m表示混合矿物参数，v和r分别代表了矿物的voigt和reuss界限；

ρm＝vcalρcal+vdolρdol+vclayρclay

kv＝vcalkcal+vdolkdol+vclaykclay

uv＝vcalucal+vdoludol+vclayuclay

下标cal，dol和clay分别表示方解石、白云石和黏土矿物；

ρm表示混合矿物的密度；

(23)岩心的总孔隙度为从碳酸盐岩ct扫描的孔隙统计数据得到3种孔隙的孔隙纵横比，假设3种孔隙的体积含量分别为vm、vip和vs,vm+vip+vs＝1，则3种孔隙的孔隙度分别为：将k(0)、μ(0)作为k、μ代入公式(3)中开始迭代，在每次迭代中均利用公式(3)计算得到模量k’和μ’的值，将本次迭代得到的k’和μ’作为下一次迭代的初始岩石模量k和μ；迭代过程中是依次增加各种孔隙，直到所有类型的孔隙增加完毕，则迭代终止，得到最新的k’和μ’；

(24)将步骤(23)得到的最新的k’和μ’作为k和μ，利用下式计算得到预测纵波速度和预测横波速度：

vp、vs分别表示预测纵波速度和预测横波速度，ρ为碳酸盐岩的密度；

当假设不同的3种孔隙的体积含量时，利用步骤(23)得到的是不同的k和μ的值，相应的，利用步骤(24)得到的是不同的预测纵波速度和预测横波速度。

所述步骤(23)中的依次增加各种孔隙，直到所有类型的孔隙增加完毕，则迭代终止，得到最新的k’和μ’的操作包括：

将微裂缝型孔隙的孔隙度从0％依次到增加每次增加后利用公式(3)计算得到k’和μ’，将k’和μ’作为下一次迭代的初始岩石模量k和μ；多次迭代后，微裂缝型孔隙的孔隙度增加到

当微裂缝型孔隙的孔隙度增加到后，将粒间孔型孔隙的孔隙度从0％依次增加到每次增加后利用公式(3)计算k’和μ’，将k’和μ’作为下一次迭代的初始岩石模量k和μ；多次迭代后，粒间孔型孔隙的孔隙度增加到

当粒间孔型孔隙的孔隙度增加到后，将溶蚀孔型孔隙的孔隙度从0％依次增加到每次增加后利用公式(3)计算k’和μ’，将k’和μ’作为下一次迭代的初始岩石模量k和μ；多次迭代后，溶蚀孔型孔隙的孔隙度增加到

当溶蚀孔型孔隙的孔隙度增加到后，迭代终止，得到最新的k’和μ’。

所述步骤(3)的操作包括：

(31)利用预测纵波速度和预测横波速度与实验纵波速度和实验横波速度建立目标函数；

(32)通过全局最优化算法求解得到使目标函数的值最小时的两种孔隙类型的体积含量；

(33)利用步骤(32)得到的两种孔隙类型的体积含量计算得到第三种孔隙类型的体积含量。

所述步骤(31)建立的目标函数如下：

其中，vs^obs分别表示实验纵波速度、实验横波速度；

vs^mod分别表示步骤(24)得到的预测纵波速度、预测横波速度；

λ1和λ2是权系数；

公式(7)中的v1、v2取vm、vip和vs中的任意两个。

所述步骤(32)的全局最优化算法采用遗传算法或者粒子群算法。

所述步骤(32)的操作包括：

每次将步骤(24)得到的预测纵波速度和预测横波速度代入公式(7)得到一个目标函数的值；不同的预测纵波速度和预测横波速度对应不同的目标函数的值；

利用全局最优化算法找到使目标函数的值最小时的两种孔隙类型的体积含量。

所述步骤(33)的操作包括：

利用下式计算第三种孔隙类型的体积含量：

vm+vip+vs＝1(2)。

本发明还提供一种碳酸盐岩孔隙成分分析系统，包括：

岩心测量单元：对岩心进行测量得到实验纵波速度和实验横波速度；

预测单元：利用等效介质模型进行预测得到预测纵波速度和预测横波速度；

反演单元：分别与岩心测量单元、预测单元连接；根据岩心测量单元得到的实验纵波速度和实验横波速度和预测单元得到的预测纵波速度和预测横波速度构建目标函数；通过全局最优算法求解得到孔隙类型的体积含量值。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行的至少一个程序，所述至少一个程序被所述计算机执行时使所述计算机执行本发明的碳酸盐岩孔隙成分分析方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在描述碳酸盐岩微观特征时，充分考虑到了岩石在成岩过程中孔隙的分化作用，结合了地区的岩石物理实验数据和认识，大大降低了解释成本。理论上，本发明结合voigt-reuss-hill平均、微分等效介质模型等岩石物理理论和全局最优化搜索算法，给出了一种从声波速度对微观孔隙含量的直接估计方法，可以被应用于岩心和测井资料的解释，可以明确碳酸盐岩储层的孔隙分布特征,有利于解释人员推演地质演化过程，指导地震资料反演和解释，为优质储层评价提供有力参考。

附图说明

图1本发明方法的步骤框图；

图2某地区储层段74块岩心的微观孔隙成分分析结果；

图3-1等效介质预测声波速度与实际测量结果的交绘图

图3-2等效介质预测声波速度与实际测量结果的交绘图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明属于岩石物理领域，主要涉及方法有voigt-reuss-hill平均、微分等效介质模型等岩石物理理论和全局最优化搜索算法。实验证明该发明可以明确碳酸盐岩储层的孔隙分布特征,有利于解释人员推演地质演化过程，指导地震资料反演和解释，为优质储层评价提供有力参考。

本发明孔隙类型可以多元，至少包含了三种。此外，本发明用的等效介质模型是xu-payne模型。

如图1所示，本发明方法具体包含如下几步：

(1)碳酸盐岩岩石物理实验与分析：

碳酸盐岩储层的形成往往经历了复杂的地质作用、生物作用和化学作用，孔隙类型要比砂岩复杂得多。早期形成原生孔隙与后期改造引起的次生孔隙往往是伴生的。在地质和地球物理学科中，通常将这些孔隙按照成因和几何形态分成三大类，即：以溶蚀孔洞为主的球状孔隙，以微裂缝为主的扁平孔隙和以粒间孔为主的次球状孔隙。若将孔隙近似成椭球体，那么可以用它们各自的特征纵横比值(α)来区分孔隙类型。因为经历了类似的沉积演化等地质过程，对于同一地区的同一地层中发育孔隙的特征纵横的数值可以通过大量统计岩心ct扫描来统计和平均。

那么可以直接将岩石的总孔隙度切分成不同孔隙类型所占的孔隙度，即：

其中，代表总孔隙度，v表示体积含量，下标m，ip和s分别为针对微裂缝型、粒间孔型和溶蚀孔型的岩石孔隙(分别对应上面的扁平孔隙、次球状孔隙和球状孔隙)。因此有，

vm+vip+vs＝1(2)

体积含量在同一地层中横向变化很大，是评价储层的关键参数。如果全部依靠实验来统计成本是很高的。

图1中的岩心经过测量后得到的是声波测量结果，包括实验纵波速度和实验横波速度。

(2)等效介质模型建立：

等效介质模型是用来预测不同微观参数组合下，岩石宏观的弹性参数响应情况的理论。针对碳酸盐岩来说，xu-payne模型(xu-payne模型是从公式3到6的整个流程的统称)是目前国内外最新，且应用效果最广的模型。在建模过程中，需要逐步将少量孔隙通过微分等效介质模型(dem)添加进来。

k和μ表示主相材料的体积模量和剪切模量，k’和μ’表示加入孔隙之后材料的体积模量和剪切模量，下标l表示不同的孔隙类型，n表示孔隙的种类数，对于碳酸盐岩一般认为l∈[mips]，n＝3。tiijj和f是材料中一次散射波场(是对同一入射波的散射响应，区别在于t是胀缩力引起的，f是剪切力引起的相关分量)，为孔隙纵横比的函数(tiijj、f的值的计算公式具体可以参考《岩石物理手册》107～109页)。其中,微分方程的初始条件为固体矿物混合物本身的弹性性质，即k(0)＝km和μ(0)＝um。固体矿物混合物的弹性模量通常根据voigt-reuss-hill平均理论(1952)来计算：

式中，k和u分别为体积模量和剪切模量，下标m表示混合矿物参数，v和r分别代表了矿物的voigt和reuss界限。碳酸盐岩通常具有造岩矿物单一的特点，一般只含有方解石、白云石和黏土三种，此时固相矿物混合物的性质由下式计算：

ρm＝vcalρcal+vdolρdol+vclayρclay

kv＝vcalkcal+vdolkdol+vclaykclay

uv＝vcalucal+vdoludol+vclayuclay

公式(5)中的每种矿物基质的模量是确定值，直接查表得到，体积含量v可以通过实验室的薄片鉴定确定，也可在测井中通过gamma测井或者密度测井曲线换算得到。

下标cal，dol和clay分别表示方解石、白云石和黏土矿物的参数。

迭代过程如下：初始给出孔隙度，迭代的也是孔隙度，每次迭代增加一种孔隙，一种加完再增加第二种孔隙，以此类推。第一次计算时k和μ采用的是km和um，每一次迭代把很小的孔隙加入到原来的岩石中，利用公式(3)计算得到模量k’和μ’的值，将这次迭代计算得到的k’和μ’的值作为下一次迭代的初始岩石模量k和μ，再利用公式(3)计算新的k’和μ’的值。如此迭代直到把所有孔隙度加完

比如说，假设岩石只有a和b两类孔隙即a、b各占50％，总孔隙度是10％，那等于是岩石a类孔隙度是5％，迭代时候先算a，a类孔隙的孔隙度从百分之0逐渐增加到5％，这时得到的岩石模量再作为新的状态，往里加b类孔隙，从0加到5％，当分两批加的孔隙总量等于总孔隙度时，视为迭代终止。

迭代终止后将公式(3)得到的k和μ代入到公式(6)中得到的纵波速度和横波速度：

vp、vs分别表示纵波速度和横波速度。

(3)岩石孔隙成分反演：

无论是在实验室还是测井，声波速度获取的时间和经济成本要比ct扫描或成像测井等方法低廉得多。也就是说，从声波速度获取更多储层信息是最佳的研究手段。本发明通过等效介质模型预测速度与声波测量结果进行匹配(该匹配就是通过下面的公式(7)实现的)，使用全局最优化算法搜索体积含量的最优解。

由于孔隙成分有公式(2)的关系，所以实际待反演参数选取vm、vip和vs中的任意两个即可。孔隙类型的特征值从ct扫描的孔隙统计数据(ct扫描数据，可以直接用成熟软件将测试岩石样品内所有孔隙的数量和每个孔隙的纵横比都解释出来)中提取其分布的峰值(提取的是孔隙纵横比的峰值，即公式(3)中的α，对于碳酸盐岩来说微观统计上一般都具有三峰值的特征(三峰值分别对应3种孔隙的孔隙纵横比)(提取到3个峰值后，在迭代过程中，这3个峰值是不变的，即为常数)。本发明按照模型预测误差最小化原则设置目标函数：

其中，上标obs和mod分别表示实验观察速度值(即声波测量结果)和模型预测速度值(即等效介质模型预测速度)。这里λ1和λ2是权系数(根据数据质量确定这两个参数的值，如果纵波质量好就λ1大一些，横波质量好就λ2大一些)。公式(7)中v1、v2表示vm、vip和vs中的任意两个，通过全局最优化算法(如遗传算法、粒子群算法等(不同的算法搜索逻辑不一样，计算效率和精度会有所差别，有的收敛速度快但精度一般，有的精度高但速度慢，工作中应该参考实际成本和需求来选择合适的算法))求解得到使目标函数j的值最小时的目标函数中的两种孔隙类型的体积含量，然后根据公式(2)得到剩下的一个孔隙类型的体积含量。

公式(7)中的vs^mod均是任意两个体积分量的函数，体现在公式(3)中，公式(3)中的vl就是特定孔隙所占的体积含量，利用公式(3)算出来的k和μ带进公式(6)得到vs^mod。

图3-1和图3-2中的inv表示反演结果，mod是模型预测值，在反演过程中模型预测值有非常多个，但是只取最满足公式(7)的那一个作为反演值输出，该值就是inv。

本发明方法的实施例如下：

图2显示了针对某地区深部碳酸盐岩储层的井中岩心样品74块所做的孔隙特征分析效果。图中三个坐标轴(x，y，z)分别是溶孔体积含量、粒间孔体积含量和微裂缝体积含量，灰度标为实测总孔隙度值。经与成像测井解释结果对比核实，本发明对地区的认识情况与该地层演化引起的孔隙纵向展布特征高度一致。也就是证明了本发明可以利用声波速度快速且有效地估算岩石的微观特征。

图3-1和图3-2展示了等效介质预测声波速度与实际测量结果的交绘图，几乎所有数据点分布在对角线上证实了利用全局最优化搜索算法求解公式(7)的有效性。

利用本发明得到的岩储层的孔隙分布特征,有利于解释人员推演地质演化过程，指导地震资料反演和解释，为优质储层评价提供有力参考。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。