页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法及系统与流程
本发明涉及油气勘探中地质建模技术领域，更具体地，涉及一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法及系统。
背景技术：
建立储层地质模型是油藏描述和储层表征最终成果的具体体现，也是当前油气储层地质学研究的核心内容与前缘。地下储层的非均质性是进行储层建模的一个不易克服的困难，近年来，国内外主要采用各种随机模拟方法模拟储层性质，如序贯指示模拟、序贯高斯模拟、指示主成分模拟、贝叶斯模型、布尔模拟、模拟退火、估计加误差模拟、迭代方法等等。随机建模的中心思想是通过“重现”储层性质的地质统计特征达到储层表征的目的，以随机函数为理论，通过一些随机算法产生可选的、等概率的、高精度的储层地质模型，模拟地质体某一属性分布，使其与已知的统计特征信息相同，从而达到模拟储层各参数值，这些方法描述储层的非均质性主要釆用变差函数或协方差函数。然而，基于地质统计学的变差函数模型不能较好地表征复杂空间的连续性，主要原因在于其不能整合地质类型的比例、互相转换的迁移趋势及平均长度等地质统计信息。而基于马尔科夫链的地质统计模型刚好与之相反，基于马尔科夫链模型的储层随机建模采用的是条件概率，亦即转移概率的概念。相对于变差函数来说，转移概率更容易做地质上的相关解释，该模型能够更准确地描述各种地质体的空间展布。刘振峰等人(2003，2005)开展了储层岩相空间分布的随机模拟，以walther相律为依据，通过垂向不同岩相之间的转移计数矩阵估算侧向岩相的转移概率矩阵，取得较好的模拟结果。但是对于页岩储层，除了有不同类型的岩相，还有层和纹层的沉积特征和复杂的孔隙结构。因此，有必要开发一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法及系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明提出了一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法及系统，其针对页岩油气储层三孔隙的微观复杂性，以及层状、纹层状构造特征，基于随机模拟的马尔科夫链方法，实现页岩储层的小尺度地质建模，精细刻画页岩储层的细粒沉积特征和三孔隙特征。
根据本发明的一方面，提出了一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法。所述方法可以包括：根据岩芯样品的分析结果，确定矿物类型及每个矿物类型的含量；根据所述矿物类型，确定单元类型与每个单元的尺度，进而建立每个矿物类型对应的小尺度模型；根据所述矿物类型的含量，获取转移概率矩阵；根据所述岩芯样品的分析结果，确定不同深度区间的单元类型与分布模式；根据所述单元类型与所述分布模式，确定所述单元类型的厚度，进而获得小尺度地质模型。
优选地，若所述区间的单元类型为层，基于空间位置计算得到的该层的发生概率与底层发生概率，由层垒砌该区间的所述小尺度地质模型。
优选地，若所述区间的单元类型为纹层，基于空间位置计算得到的该纹层的发生概率与底层发生概率，由纹层垒砌该区间的所述小尺度地质模型。
优选地，所述发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
优选地，所述底层发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
根据本发明的另一方面，提出了一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模系统，可以包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，所述处理器运行所述存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据岩芯样品的分析结果，确定矿物类型及每个矿物类型的含量；根据所述矿物类型，确定单元类型与每个单元的尺度，进而建立每个矿物类型对应的小尺度模型；根据所述矿物类型的含量，获取转移概率矩阵；根据所述岩芯样品的分析结果，确定不同深度区间的单元类型与分布模式；根据所述单元类型与所述分布模式，确定所述单元类型的厚度，进而小尺度地质模型。
优选地，若所述区间的单元类型为层，基于空间位置计算得到的该层的发生概率与底层发生概率，由层垒砌该区间的所述小尺度地质模型。
优选地，若所述区间的单元类型为纹层，基于空间位置计算得到的该纹层的发生概率与底层发生概率，由纹层垒砌该区间的所述小尺度地质模型。
优选地，所述发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
优选地，所述底层发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
本发明的有益效果在于：在岩相建模的基础上，考虑了页岩的层状、纹层状结构，以及有机质、孔隙和裂缝，这样生成的包含孔隙、裂缝、有机孔的储层模型能更加真实反映地下的真实情况，使对页岩储层非均质性的描述和认识更加合理，可为后期储层开发中的油气藏工程数值模拟奠定坚实的基础。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法的步骤的流程图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的页岩岩芯的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的小尺度地质模型的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为10％的地质模型的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为30％的地质模型的示意图。
图6示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为50％的地质模型的示意图。
图7示出了根据本发明的一个实施例的孔隙度为5.0％的地质模型的孔隙度分布图的示意图。
图8示出了根据本发明的一个实施例的孔隙度为10.0％的地质模型的孔隙度分布图的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明的页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法的步骤的流程图。
在该实施例中，根据本发明的页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模方法可以包括：
步骤101，根据岩芯样品的分析结果，确定矿物类型及每个矿物类型的含量。
步骤102，根据矿物类型，确定单元类型与每个单元的尺度，进而建立每个矿物类型对应的小尺度模型；在一个示例中，若区间的单元类型为层，基于空间位置计算该层的发生概率与底层发生概率，由层垒砌该区间的小尺度地质模型；在一个示例中，若区间的单元类型为纹层，基于空间位置计算得到的该纹层的发生概率与底层发生概率，由纹层垒砌该区间的小尺度地质模型。
在一个示例中，发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
在一个示例中，底层发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
步骤103，根据矿物类型的含量，获取转移概率矩阵。
步骤104，根据岩芯样品的分析结果，确定不同深度区间的单元类型与分布模式；
步骤105，根据单元类型与分布模式，确定单元类型的厚度，进而获得小尺度地质模型。
图2示出了根据本发明的一个实施例的页岩岩芯的示意图。
具体地，页岩储层有别于常规储层研究的关键是其“非均匀”，如图2所示，数值建模应体现这一主要特征，不能通过“复制”岩芯样品获得大尺度模型，必需从地层沉积的随机过程出发。但岩芯样品是用来获得这一随机过程的关键控制因素的依据。从“均匀”到“非均匀”将使得岩石模型出现太多的变化，不同尺度下“非均匀”将有不同的表现，因此在建模中将抓住页岩储层非均匀的关键因素：纹层结构，层结构，页岩矿物组份，孔隙和裂缝的分布特征。地质模型的非均匀是典型的分形结构，可以在不同尺度下无限细分。针对页岩储层的地质特征，在建模中将抓住主要特征，确定单元类型为“层”与“纹层”，将垂向“层”的尺度定义在“分米”量级，将“纹层”的尺度定义在“毫米”量级，而横向非均匀的尺度定义在“10米”量级。矿物组分主要考虑几种主要成分，针对现有样品，采用的组分为：粘土、方解石、石英和有机质。
采用二维马尔科夫链模型生成小尺度模型。为此，将以一定长度的“层”和“纹层”为单元，而每个“层”和“纹层”又可以由不同的岩相构成，不同类型岩相的“层”或“纹层”单元构成了组成模型的基本单元；用model(i,j)表示地质模型，model(i,j)对应某类岩相的“层”或“纹层”单元。在每个二维空间位置(i,j)，由纵向和横向转移概率矩阵联合确定不同新事件(即各类不同岩相的基本单元)的发生概率，将这些概率顺序排列，组成一个长度为1的数轴；利用计算机产生随机数，随机数落在数轴的那个区间中，该处就是生成那类基本单元，根据公式(1)计算发生概率。
对多数不能明确给出横向转移概率矩阵的情况，可用将纵向转移概率矩阵中的对角元素放大一定的倍数来近似横向转移概率矩阵，这个倍数大小恰好反映了横向均匀的程度。对没有井约束情况，为完成二维建模，需先应用一维马尔科夫链模型生成model(i,j)和model(nx,j)，定义model(i,j)＝model(nx,j)；model(i,j)产生sk的概率为
为完成二维建模，还需对底层初始化，即确定底层岩相序列(其层理类型同最左和右侧一致)；这也需应用一维马尔科夫链模型，model(i,j)产生sk的概率，即为底层发生概率为公式(2)。
理论上，若转移概率矩阵给的准确，当随机过程的时程足够长，是可以保证总的岩相构成与测量一致。实际工作中，由于岩芯量和观测的限制，基于统计方法或经验得到的纵向转移概率矩阵总是近似的，为保证生成模型的岩相构成与测量一致，在基于马尔科夫链随机过程生成地质模型时，将根据已生成模型的岩相构成，修改不同基本单元的发生概率，已保证产出的整体地质模型其岩相构成与给定值吻合。具体实施方法是：在基于发生概率生成一层模型，即model(i,j)(j＝1,nx)后，计算已生成模型的基本单元含量比例，用该比例值和观测得到的比例值相比，得到各种基本单元含量的相对变化，以此修改由马尔科夫链模型得到的pr，以此产生新一层的模型。
基于上述原理讨论，可建立如下的建模流程：分析已知岩芯样品，定义不同岩相类型的“层”或“纹层”基本单元；估计转移概率矩阵，来生成非均匀的、波长尺度的页岩模型。
由典型岩芯样品分析结果，决定方解石、粘土、石英、有机质的含量。确定“层”和“纹层”基本单元和其成分，假设以某口页岩油气井为例，确定3种不同岩相的“层”基本单元：含泥质灰岩层、泥质灰岩层、灰质泥岩层，其尺度定义为0.1×10m；确定2种不同岩相的“纹层”单元：灰质纹层、泥质纹层，其尺度定义为0.001×10m；尽管“层”单元的尺度为0.1×10m，但这一单元在地质模型中，实际上是由100×10000个离散点构成的，依据单元的矿物成分，这些离散点将分别对应方解石、粘土或石英这几种基本矿物；同理，“纹层”单元是由1×10000个离散点构成的，这些离散点将分别对应方解石、粘土或石英这几种基本矿物。这样，即可产生0.001×0.001m分辨率的小尺度模型。
确定转移概率矩阵，这一过程中将综合考虑岩芯样品统计结果和模型的矿物成分含量；针对岩芯分析结果，确定不同深度区间“层”和“纹层”的比例和分布模式；根据“层”和“纹层”的分布模式，确定在模型生成过程中生成“层”还是“纹层”及其厚度；若该区间生成“层”，基于空间位置(i，j)计算得到的发生概率，由“层”基本单元垒砌得到这一区间的地质模型；若该区间生成“纹层”，基于空间位置(i，j)计算得到的发生概率，由“纹层”基本单元垒砌得到这一区间的地质模型，生成分辨率为0.001×0.001m的“背景”地质模型，每一离散点分别对应方解石、粘土或石英；目前，模型中还不包括有机质、孔隙和裂缝。
首先讨论有机质(toc)的添入，将仅考虑成熟的有机质，用有机质中的空隙度来描述有机孔的存在。将根据有机质的含量，确定该模型具有的有机质总量，添加时将用有机质“点”替代“背景”地质模型中原来的应方解石、粘土或石英，替代的原则是完成有机质添加后模型中方解石、粘土、石英和有机质的含量恰好等于测量结果。
toc的添加时将分三部分进行，1)是在整体模型中随机分布，一般这部分的比例较少；2)是在“层”部分，将根据其泥质含量大小，确定发生概率，随机聚集分布，其空间的随机性用计算机产生的两个随机数决定；3)是在“纹层”部分，将根据“纹层”的聚集情况，确定toc含量的多少，有机质将沿层分布，不同横向部位的含量按高斯分布变化。
孔隙的添加将依据岩芯样品统计得到的不同层位、不同岩相的孔隙率，对模型中的离散点赋上孔隙，对有机质的离散点，其孔隙对应有机孔。
进一步在模型中随机加入层间缝和垂直缝。裂缝总量的多少由统计得到的裂缝密度决定。垂直缝的方向将由主应力方向控制，将通过同时产生两个随机数实现这一目标：用一个随机数决定方向，通过判断另一个随机数是在某个区间内决定该裂缝是否存在，而这一区间是受方向决定的，方向越靠近主应力方向，该区间就越大。
这样，即可得到包含孔隙、裂缝、有机孔的分辨率为0.001×0.001m的小尺度地质模型，该模型的每个离散点对应一个0.001×0.001m的基本矿物，这个矿物分别被近似为方解石、粘土、石英或有机质。
图3示出了根据本发明的一个实施例的小尺度地质模型的示意图。
完成上述过程，就可得到包含孔隙、裂缝、有机孔的分辨率为0.001×0.001m的地震波长尺度的小尺度地质模型，如图3所示，该模型既考虑了结构特点(“层”与“纹层”结构)，也考虑了矿物组份比例(粘土、方解石、石英和toc)，还包括了裂缝和孔隙。
本方法在岩相建模的基础上，考虑了页岩的层状、纹层状结构，以及有机质、孔隙和裂缝，这样生成的包含孔隙、裂缝、有机孔的储层模型能更加真实反映地下的真实情况，使对页岩储层非均质性的描述和认识更加合理，可为后期储层开发中的油气藏工程数值模拟奠定坚实的基础。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
以某页岩储层为基础模板，针对纹层与层比例的变化、孔隙度变化、矿物含量变化，建立了地震波长规模的小尺度(1mm×1mm)地质模型。
某页岩储层主要由含泥质灰岩层、泥质灰岩层和灰质泥岩层三类岩相构成，三类岩相的占比为28.6％、38.2％和33.2％；当矿物组份发生变化时，三类岩相构成比例也随之变化；三类岩相将分别形成层状结构和纹层状结构，通过各自的纹层比例控制纹层结构的多少。保持含泥质灰岩、泥质灰岩、灰质泥岩三种岩相在模型中的比例不变，并保持每种岩相中的矿物组分不变，只是改变纹层在每种岩相中的比例，在三种岩相中纹层的比例相同且同时改变，从10％逐渐增加到50％，每次增加10％。各个储层模型的三类岩相的占比、矿物组分、三孔隙的孔隙度等参数见表1，纹层所占比例从10％到50％。
表1
图4示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为10％的地质模型的示意图，可观察到纹层和层构造，细小的纹层构造占比较少。图5示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为30％的地质模型的示意图，可观察到纹层和层构造，细小的纹层构造较图4增多。图6示出了根据本发明的一个实施例的纹层所占比例为50％的地质模型的示意图，可观察到纹层和层构造，细小的纹层构造较图4增多许多。
在孔隙度变化的过程中，随着孔隙度所占比例逐渐增加，方解石、石英、粘土所占比例会相应减小，减少的量与它们在模型中的所占的比例成正比。由于toc含量对储层弹性参数有较大影响，为了尽可能正确反映孔隙度与储层弹性参数之间的关系,在孔隙度变化的过程中，模型中的toc含量保持不变。各个储层模型的三类岩相的占比、矿物组分、裂缝密度等参数见表2，纹层所占比例为39.2％,孔隙度为2.5％、5.0％、7.5％、10.0％、
12.5％等五种情况。
表2
图7示出了根据本发明的一个实施例的孔隙度为5.0％的地质模型的孔隙度分布图的示意图，图8示出了根据本发明的一个实施例的孔隙度为10.0％的地质模型的孔隙度分布图的示意图，图中可见模型的孔隙度不是均匀分布的。
综上所述，本发明在岩相建模的基础上，考虑了页岩的层状、纹层状结构，以及有机质、孔隙和裂缝，这样生成的包含孔隙、裂缝、有机孔的储层模型能更加真实反映地下的真实情况，使对页岩储层非均质性的描述和认识更加合理，可为后期储层开发中的油气藏工程数值模拟奠定坚实的基础。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
根据本发明的实施例，提供了一种页岩油气储层的小尺度非均匀地质建模系统，可以包括：存储器，存储有计算机可执行指令；处理器，处理器运行存储器中的计算机可执行指令，执行以下步骤：根据岩芯样品的分析结果，确定矿物类型及每个矿物类型的含量；根据矿物类型，确定单元类型与每个单元的尺度，进而建立每个矿物类型对应的小尺度模型；根据矿物类型的含量，获取转移概率矩阵；根据岩芯样品的分析结果，确定不同深度区间的单元类型与分布模式；根据单元类型与分布模式，确定单元类型的厚度，进而小尺度地质模型。
在一个示例中，若区间的单元类型为层，基于空间位置计算得到的该层的发生概率与底层发生概率，由层垒砌该区间的小尺度地质模型。
在一个示例中，若区间的单元类型为纹层，基于空间位置计算得到的该纹层的发生概率与底层发生概率，由纹层垒砌该区间的小尺度地质模型。
在一个示例中，发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
在一个示例中，底层发生概率为：
其中，zi,j表示空间位置(i，j)的单元类型，sl表示定义的单元类型，
本发明在岩相建模的基础上，考虑了页岩的层状、纹层状结构，以及有机质、孔隙和裂缝，这样生成的包含孔隙、裂缝、有机孔的储层模型能更加真实反映地下的真实情况，使对页岩储层非均质性的描述和认识更加合理，可为后期储层开发中的油气藏工程数值模拟奠定坚实的基础。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
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