一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法及系统

本发明涉及油气田开发技术领域，特别是涉及一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法及系统。

背景技术：

页岩油是一种重要的非常规能源，原油主要以吸附态和游离态存在于页岩孔隙中。页岩油的储层类型包括基质型、裂缝型和夹层型三种。由于夹层状页岩含有孔隙度和渗透率较高的碳酸盐岩或砂岩条带(也称之为夹条)，实际开采过程中产量较高，是页岩油开发的重点。然而，受层理的影响，夹层状页岩具有明显的各向异性特征，即平行层理和垂直层理方向岩石渗透率(即水平方向渗透率和垂直方向渗透率)不同。准确测定页岩各向异性渗透率对页岩储层评价、水力压裂设计和生产动态预测具有重要意义。

目前夹层状页岩各向异性渗透率的测量存在以下问题：

一方面，由于页岩很脆，微裂缝或层理的存在会使得夹层状页岩易于沿着裂缝面开裂，因此完整的岩心柱难以获得。同时，渗透率测量前需要对岩心进行洗油，该过程极易造成岩心损坏。而测量岩石渗透率往往需要一整块岩心进行实验，不完整的岩心将会造成夹层状页岩渗透率难以测量。

另一方面，由于平行于层理和垂直于层理方向的页岩渗透率差异较大，其结果可能相差几个数量级，因此常规渗透率测试方法将带来很大误差。

专利cn206431021u涉及一种页岩渗透率的模拟测试装置，该装置能够测量不同压力条件下的气体有效渗透率，但是此装置只能测试平行层理方向的渗透率，无法测试垂直层理方向的渗透率。专利cn106769790a涉及一种超声波作用下基于液体压力脉冲的页岩渗透率测试装置及方法，主要是观测标准盐水通过待测岩心的脉冲衰减曲线的差异来测定渗透率。然而页岩容易遇水膨胀，导致渗透率改变，不能得到准确的渗透率值。专利cn109100278a涉及一种考虑页岩孔径分布特征的表观渗透率计算方法，通过计算不同管径毛细管的分布频率叠加得到页岩储层尺度的表观渗透率。然而该方法仅考虑了页岩气的运移机制，不适用于测量页岩油储层的岩石渗透率，也无法体现夹层状页岩的各向异性特征。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法及系统，解决夹层状页岩各向异性渗透率无法准确测量的难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法，所述方法包括：

s1：获取夹层状页岩岩心；

s2：基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数；所述页岩基质参数包括页岩基质所占比例h1、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；所述夹条参数包括夹条所占比例h2、夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2；

s3：基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型；

s4：利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率；

s5：基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率；

s6：基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率。

可选地，所述基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数，具体包括：

s21：通过氮气吸附实验确定页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；

s22：通过高压压汞实验确定夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2；

s23：对所述页岩岩心的截面进行拍照，获得垂直于层理方向上的岩样图像；

s24：采用图像分析软件对所述岩样图像进行分析，获得页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2。

可选地，所述基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型，具体包括：

s31：通过矿物x射线全岩分析方法得到页岩基质矿物成分；

s32：通过烃组分分析实验获取现场页岩油成分；

s33：根据页岩基质矿物成分、所述现场页岩油成分和页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

可选地，所述利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率，具体包括：

s41：利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，获得速度剖面；

s42：拟合速度剖面得到页岩油流动的边界条件；所述边界条件包括正滑移、无滑移或者负滑移；

s43：基于所述边界条件、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1确定页岩基质的渗透率。

可选地，所述基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率，具体公式为：

其中，k2为夹条的渗透率。

可选地，所述基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率，具体公式为：

其中，k′为夹层状页岩水平渗透率，k″为夹层状页岩垂直渗透率，h1为页岩基质所占比例，h2为夹条所占比例，k1为页岩基质的渗透率，k2为夹条的渗透率。

本发明还提供一种夹层状页岩各向异性渗透率确定系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取夹层状页岩岩心；

参数确定模块，用于基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数；所述页岩基质参数包括页岩基质所占比例h1、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；所述夹条参数包括夹条所占比例h2、夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2；

分子动力学模型构建模块，用于基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型；

页岩基质渗透率确定模块，用于利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率；

夹条渗透率确定模块，用于基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率；

各向异性渗透率确定模块，用于基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率。

可选地，所述参数确定模块，具体包括：

页岩基质参数确定单元，用于通过氮气吸附实验确定页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；

夹条参数确定单元，用于通过高压压汞实验确定夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2；

岩样图像获取单元，用于对所述页岩岩心的截面进行拍照，获得垂直于层理方向上的岩样图像；

图像分析单元，用于采用图像分析软件对所述岩样图像进行分析，获得页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2。

可选地，所述分子动力学模型构建模块，具体包括：

页岩基质矿物成分确定单元，用于通过矿物x射线全岩分析方法得到页岩基质矿物成分；

页岩油成分获取单元，用于通过烃组分分析实验获取现场页岩油成分；

分子动力学模型构建单元，用于根据页岩基质矿物成分、所述现场页岩油成分和页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

可选地，所述页岩基质渗透率确定模块，具体包括：

模拟单元，用于利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，获得速度剖面；

边界条件确定单元，用于拟合速度剖面得到页岩油流动的边界条件；所述边界条件包括正滑移、无滑移或者负滑移；

页岩基质渗透率确定单元，用于基于所述边界条件、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1确定页岩基质的渗透率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于页岩岩心的孔隙结构与分子动力学模型相结合，利用分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，进而能够准确计算得到夹层状页岩水平方向和垂直方向的渗透率，解决现有技术无法实现夹层状页岩各向异性渗透率准确测量的难题。此外，该技术突破了常规渗透率实验测试需要标准岩心柱，但页岩易碎、岩心柱难以获取的缺陷。本发明专利只需要能够清楚分辨页岩基质和夹条的岩心碎片或碎块即可，因此实用性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一夹层状页岩各向异性渗透率确定方法流程图；

图2为本发明实施例二夹层状页岩各向异性渗透率确定系统结构图；

图3为本发明实施例三夹层状页岩氮气吸附和高压压汞实验的孔径分布图；

图4为本发明实施例三夹层状页岩抽象模型构建的示意图；

图5为本发明实施例三页岩干酪根狭缝、方解石狭缝和页岩油的分子模拟模型示意图；

图6为本发明实施例三页岩油在页岩基质孔隙中流动的速度以及边界条件示意图；

图7为本发明实施例三夹层状页岩水平和垂直渗透率的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法及系统，解决夹层状页岩各向异性渗透率无法准确测量的难题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种夹层状页岩各向异性渗透率确定方法，所述方法包括：

s1：获取夹层状页岩岩心。

s2：基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数；所述页岩基质参数包括页岩基质所占比例h1、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；所述夹条参数包括夹条所占比例h2、夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2。所述页岩岩心包括页岩基质的孔隙结构和夹条的孔隙结构。上述所述的所占比例均为所占厚度比例。

s3：基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

s4：利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率。

s5：基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率。

s6：基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率。

下面对各个步骤进行详细论述：

s1：获取夹层状页岩岩心。本发明选取的夹层状页岩岩心未必是岩心柱，也可以是一个岩心块，只要能清楚分辨页岩基质和夹条即可。

正常测量渗透率一般需要标准圆柱状岩心。对于夹层状页岩来说，因为易碎，获取岩心柱是十分困难的。因此本专利不需要一个完整的岩心柱，只需要能够通过页岩岩心明确页岩基质和夹条比例即可。

s2：基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数，具体包括：

s21：通过氮气吸附实验确定页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1。

s22：通过高压压汞实验确定夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2。

s23：对所述页岩岩心的截面进行拍照，获得垂直于层理方向上的岩样图像。

s24：采用图像分析软件对所述岩样图像进行分析，获得页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2。

s3：基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型，具体包括：

s31：通过矿物x射线全岩分析方法得到页岩基质矿物成分。

s32：通过烃组分分析实验获取现场页岩油成分。

s33：根据页岩基质矿物成分、所述现场页岩油成分和页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

s4：利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率，具体包括：

s41：利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，获得速度剖面。

s42：拟合速度剖面得到页岩油流动的边界条件；所述边界条件包括正滑移、无滑移或者负滑移。

s43：基于所述边界条件、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1确定页岩基质的渗透率，具体包括：

假设页岩基质中有n种矿物，页岩油在m种矿物孔隙内流动的边界条件为正滑移或者无滑移时，根据计算第一渗透率；其中，lsi为第i种矿物孔隙内的滑移长度，k′1为第一渗透率，m<n。

页岩油在n-m种矿物孔隙内流动的边界为负滑移时，根据计算第二渗透率；其中，k″1为第二渗透率，δi为第i种矿物孔隙内的边界层厚度。

根据k1＝k′1+k″1计算页岩基质的渗透率。

s5：基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率，具体公式为：

其中，k2为夹条的渗透率，φ2为夹条孔隙度，r2为夹条平均孔隙半径。

s6：基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率，具体公式为：

其中，k′为夹层状页岩水平渗透率，k″为夹层状页岩垂直渗透率，h1为页岩基质所占比例，h2为夹条所占比例，k1为页岩基质的渗透率，k2为夹条的渗透率。

实施例二

如图2所示，本发明还公开一种夹层状页岩各向异性渗透率确定系统，所述系统包括：

获取模块201，用于获取夹层状页岩岩心。

参数确定模块202，用于基于所述页岩岩心确定页岩基质参数和夹条参数；所述页岩基质参数包括页岩基质所占比例h1、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1；所述夹条参数包括夹条所占比例h2、夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2。

分子动力学模型构建模块203，用于基于页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

页岩基质渗透率确定模块204，用于利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，确定页岩基质的渗透率。

夹条渗透率确定模块205，用于基于夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率。

各向异性渗透率确定模块206，用于基于页岩基质的渗透率、夹条的渗透率、页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2确定夹层状页岩水平渗透率和垂直渗透率。

作为一种可选的实施方式，本发明所述参数确定模块202，具体包括：

页岩基质参数确定单元，用于通过氮气吸附实验确定页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1。

夹条参数确定单元，用于通过高压压汞实验确定夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2。

岩样图像获取单元，用于对所述页岩岩心的截面进行拍照，获得垂直于层理方向上的岩样图像。

图像分析单元，用于采用图像分析软件对所述岩样图像进行分析，获得页岩基质所占比例h1和夹条所占比例h2。

作为一种可选的实施方式，本发明所述分子动力学模型构建模块203，具体包括：

页岩基质矿物成分确定单元，用于通过矿物x射线全岩分析方法得到页岩基质矿物成分。

页岩油成分获取单元，用于通过烃组分分析实验获取现场页岩油成分。

分子动力学模型构建单元，用于根据页岩基质矿物成分、所述现场页岩油成分和页岩基质平均孔隙半径r1构建分子动力学模型。

作为一种可选的实施方式，本发明所述页岩基质渗透率确定模块204，具体包括：

模拟单元，用于利用所述分子动力学模型模拟页岩油在页岩基质纳米孔内的流动，获得速度剖面。

边界条件确定单元，用于拟合速度剖面得到页岩油流动的边界条件；所述边界条件包括正滑移、无滑移或者负滑移。

页岩基质渗透率确定单元，用于基于所述边界条件、页岩基质平均孔隙半径r1和页岩基质孔隙度φ1确定页岩基质的渗透率。

实施例三

具体举例：

s1：首先选取现场夹层状页岩岩心。

s21：通过氮气吸附实验测量页岩基质的孔隙结构，获得页岩基质平均孔隙半径r1为6.42×10^-3μm、页岩基质孔隙度φ1为3.69％；页岩基质的孔隙结构如图3中的(a)所示。

s22：通过高压压汞实验测量夹条的孔隙结构，获得夹条平均孔隙半径r2为5.57μm和夹条孔隙度φ2为5.63％；夹条的孔隙结构如图3中的(b)所示。

s23：在垂直于页岩层理方向对夹层状页岩岩心截面进行拍照，获得垂直于层理方向上的岩样图像。

s24：将岩样图片导入到imagej中，利用imagej中的analyze模块分别测量页岩基质的厚度h1＝2.095cm和夹条的厚度h2＝0.405cm，得到夹条和页岩基质比例为0.405:2.095(归一化后为0.162:0.838)的夹层状页岩抽象模型，如图4所示。

s31-s33：通过x射线衍射全岩矿物分析方法得到页岩基质矿物成分：干酪根、方解石、石英、斜长石、石膏、白云石、黄铁矿以及黏土矿物；本实施例中的页岩基质模型以干酪根狭缝和方解石狭缝为例，干酪根狭缝如图5中(a)所示，方解石狭缝如图5中(b)所示。页岩油的分子动力学模型采用多组分模型，本实例为了简化运算，采用甲烷、正辛烷和沥青的混合物，如图5中(c)所示，其分别代表了页岩油中的轻组分、中间组分和重组分。

s41：分子模拟采用lammps模拟器，模拟条件为t＝353k，p＝30mpa，模拟过程中壁面固定，对每个烷烃原子施加一个平行于壁面(x方向)的作用力模拟以1fs为时间步长，整个过程将持续30ns以达到流动速度剖面的平衡，最后20ns的模拟用于统计分析。流体流动的速度剖面采用微元法计算得到。

s42：采用含有负滑移的泊肃叶方程对速度剖面进行拟合。拟合公式为：

式中，v为位置z处流体的流动速度，m/s；n为狭缝内烷烃原子数密度，1/m³；f为施加的驱动力，n；z为距离孔隙中央的位置，m；w为狭缝的宽度，m；δi为第i种矿物的边界层厚度，m；η为流体的有效粘度，pa·s。最终得到页岩油流动的边界层厚度：干酪根孔δ1＝0.85nm，方解石孔δ2＝0.13nm，分别如图6中的(a)和(b)所示。由图6(a)和(b)可以发现页岩油在干酪根和方解石狭缝内流动时均为负滑移，因此采用含有负滑移的泊肃叶方程对速度剖面进行拟合。

s43：页岩基质的渗透率方程如下：

式中：k1为页岩基质的渗透率；φ1为页岩基质的孔隙度；r1为页岩基质的平均孔隙半径；δ1为干酪根的边界层厚度；δ2为方解石的边界层厚度。

s5：根据夹条平均孔隙半径r2和夹条孔隙度φ2确定夹条的渗透率，具体公式为：

式中：k2为夹条的渗透率；φ2为夹条的孔隙度；r2为夹条的平均孔隙半径。

s6：综合页岩基质和夹条的渗透率，根据夹条所占比例和页岩基质所占比例，构建夹层状页岩水平方向的渗透率和垂直方向的渗透率。

如图7中(a)所示，夹层状页岩水平方向的渗透率的具体公式为：

如图7中(b)所示，夹层状页岩垂直方向的渗透率的具体公式为：

式中：k′为夹层状页岩水平渗透率，k″为夹层状页岩垂直渗透率，h1为页岩基质所占比例，h2为夹条所占比例。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。