一种用于氦气有利勘探区的评价优选系统

本发明涉及氦气资源勘探与评价领域，尤其涉及一种用于氦气有利勘探区的评价优选系统。

背景技术：

1、氦气作为一种极其珍贵的战略稀缺资源，在航天、半导体、医疗及前沿科研等领域具有不可替代的重要作用。随着全球高纯度氦气需求量的急剧攀升，传统的“依气找氦”模式已难以满足当前高效勘探的需求，氦气成藏机理研究与有利区定量评价技术逐渐成为勘探开发的核心。氦气成藏是一个涉及生源、断裂通道与盖层封堵等多因素耦合的复杂动态地质过程。基底岩石中的铀钍元素衰变生氦，并在生氦内压驱动下克服孔隙流体压力排出；断裂带在古地应力作用下呈现开启或闭合状态，既可作为通源通道又可能成为散失漏逸途径；盖层则依靠毛细管阻力封堵氦气，但微裂缝的发育可能导致逃逸。因此，精准刻画生排氦史、断裂活动史与盖层封闭史的时间匹配关系，是实现氦气有利区精准预测的关键。

2、然而，现有的氦气勘探评价技术多侧重于单一地质要素的静态定性分析，存在显著缺陷。首先，现有技术通常割裂了生、排、运、聚的时空连续性，缺乏将生氦内压与基底孔隙流体压力进行逐时期动态对比的定量计算机制，难以准确界定有效排氦时间段及其排氦强度。对于断裂通源与漏失的判定，往往仅依据现今断裂几何形态进行定性推测，未恢复地质历史时期的古地应力状态与断层泥涂抹情况，且未能将断裂开启期与有效排氦期进行精细的时间轴同步比对，导致无法有效区分通源时效与散失漏逸风险。同时，在盖层评价中，现有技术常忽略现今地应力对微裂缝张开宽度的影响，未能建立毛细管阻力与微裂缝逃逸量的定量博弈关系，导致盖层抗散失能力的评估过于主观。

3、此外，在成藏概率预测方面，现有技术多采用传统整数阶灰色预测模型，该类模型依赖全历史数据等权参与累加，既无法识别地质数据序列的波动特征以自适应调整模型参数，又缺乏边界约束机制，使得距离当前时间节点过远的无效历史数据干扰预测结果，导致对氦气动态成藏概率的预测精度低下，难以满足三维空间高精度勘探优选的实际需求。

4、因此，如何提供一种用于氦气有利勘探区的评价优选系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种用于氦气有利勘探区的评价优选系统，本发明充分融合多源地质数据预处理、生排氦压力定量判定、断裂通源与漏失动态评估、盖层抗散失计算与三维空间成图等关键步骤，构建了具备多要素时空耦合、动态阈值触发与空间分布可视化输出的氦气成藏智能评价流程。本发明的核心在于引入改进的分数阶灰色预测模型，并在分数阶累加模块中嵌入边界约束的变下限累加机制，通过动态时间窗口剔除无效历史数据，利用伽马函数计算自适应分数阶权重，实现了在复杂地质演化环境下对氦气动态成藏概率的精准预测。本发明具备数据建模多维耦合、阶数自适应调整、历史边界动态约束、预测精度高与结果空间定位准等优点，能够显著提升复杂地质条件下氦气成藏规律识别的准确性与勘探靶区优选的可靠性，从而有效解决现有方法中地质要素割裂评价、历史数据冗余干扰与成藏概率预测精度低等问题。

2、根据本发明实施例的一种用于氦气有利勘探区的评价优选系统，包括如下模块：

3、数据采集与预处理模块，用于同步采集目标区的多源数据，并预处理得出地质基础数据集；

4、生排氦计算模块，用于基于地质基础数据集计算各时期生氦量和生氦内压，和基底孔隙流体压力，将生氦内压与基底孔隙流体压力逐时期对比，得出有效排氦时间段和排氦强度数值；

5、断裂通源与漏失判定模块，用于基于地质基础数据集恢复古地应力结果，判断断裂在各时期处于裂开导通或闭合封堵状态，得出通源时效系数或散失漏逸系数；

6、盖层抗散失评估模块，用于基于地质基础数据集计算毛细管阻力和微裂缝张开宽度，评估氦气阻力与逃逸量，得出盖层抗散失系数；

7、动态成藏预测模块，用于将有效排氦时间段、排氦强度数值、通源时效系数或散失漏逸系数、盖层抗散失系数输入改进的分数阶灰色预测模型，得到氦气动态成藏概率数值，所述改进的分数阶灰色预测模型包括输入模块、状态触发模块、分数阶累加模块和微分耦合模块，所述分数阶累加模块中嵌入边界约束的变下限累加机制；

8、成藏图谱生成模块，用于基于氦气动态成藏概率数值绘制氦气有利勘探区空间分布多边形图谱。

9、可选的，所述数据采集与预处理模块具体包括：

10、通过地质勘查与实验测试手段，同步采集目标区的基底岩石铀钍丰度数据、基底孔隙度随深度变化数据、断裂几何与力学参数、盖层微纳米孔径分布测试数据、现今地应力数据、目标区埋藏史演化数据和区域古构造演化数据，得到多源数据；

11、对采集的多源数据，统一转换为标准数据格式，读取目标区的三维空间坐标参考系，将转换格式后的多源数据的空间坐标投影至三维空间坐标参考系中，按三维空间网格对齐投影后的多源数据，将格式统一与三维空间位置对齐后的多源数据进行整合封装，输出地质基础数据集。

12、可选的，所述生排氦计算模块具体包括：

13、提取地质基础数据集中的基底岩石铀钍丰度数据，读取铀元素与钍元素含量数值，从目标区埋藏史演化数据中读取各个地质历史时期的时间跨度数值，将铀元素和钍元素含量数值乘以对应的预设放射性衰变生氦产率常数并乘以时间跨度数值得到铀和钍生氦量，将铀生氦量和钍生氦量相加，计算得出目标区在各个地质历史时期的生氦量，所述预设放射性衰变生氦产率常数的设定依据为基于铀钍同位素衰变释放α粒子的物理机制，计算单位质量铀或钍在单位时间内衰变产生氦原子的摩尔数，进而获取对应的生氦产率常数，其中铀的生氦产率常数取值范围为1.15×10-13至1.20×10-13mol/(ga)，钍的生氦产率常数取值范围为3.10×10-14至3.15×10-14mol/(ga)；

14、提取地质基础数据集中的基底孔隙度随深度变化数据和目标区埋藏史演化数据，从目标区埋藏史演化数据中读取各个地质历史时期的埋藏深度数值，从基底孔隙度随深度变化数据中查找与埋藏深度数值相同的深度对应的孔隙度数值，若未查询到，则选取深度最接近的两个数值并求取平均值得到对应的基底孔隙度；

15、从目标区埋藏史演化数据中读取对应地质历史时期的地层温度数值，将生氦量除以基底孔隙度数值得到单位孔隙生氦浓度，将单位孔隙生氦浓度乘以预设的理想气体常数并乘以地层温度数值，计算得出各个地质历史时期的生氦内压；

16、从目标区埋藏史演化数据中读取各个地质历史时期的上覆地层厚度数值与岩层密度数值，将上覆地层厚度数值乘以岩层密度数值并乘以预设的重力加速度得到上覆岩层压力数值，将地层水密度数值乘以预设的重力加速度并乘以对应地质历史时期的等效液柱垂直高度数值，即对应时期的上覆地层厚度或古埋藏深度数值，得到静水压力数值；

17、将上覆岩层压力数值减去静水压力数值并乘以对应地质历史时期的基底孔隙度数值，将乘积结果加上静水压力数值，计算得出各个地质历史时期的基底孔隙流体压力；

18、将同一地质历史时期的生氦内压与基底孔隙流体压力提取至同一时间节点进行逐时期对比，判断各个地质历史时期的生氦内压数值是否大于基底孔隙流体压力数值，当某一地质历史时期的生氦内压数值大于基底孔隙流体压力数值时，将对应地质历史时期记录为有效排氦时间段；

19、将有效排氦时间段的生氦内压数值减去基底孔隙流体压力数值得到过剩压力数值，将过剩压力数值乘以预设的排氦效率系数，计算得出对应的排氦强度数值。

20、可选的，所述断裂通源与漏失判定模块具体包括：

21、提取地质基础数据集中的断裂几何与力学参数、目标区埋藏史演化数据和区域古构造演化数据，从目标区埋藏史演化数据中读取各个地质历史时期的地层厚度数值，从区域古构造演化数据中读取各个地质历史时期的构造应力方向数值与构造应力大小数值；

22、将地层厚度数值乘以预设的岩石密度并乘以预设的重力加速度得到重力应力数值，并与构造应力大小数值相加，将相加结果按构造应力方向数值进行投影分解，计算得出各个地质历史时期的古地应力结果；

23、提取断裂几何与力学参数中的断裂走向数值、断裂倾角数值与岩石抗拉强度数值，将各个地质历史时期的古地应力结果按断裂走向数值与断裂倾角数值进行投影计算，得到沿断裂面的正应力数值与剪应力数值，将剪应力数值除以正应力数值得到摩擦系数数值；

24、对比摩擦系数数值与预设的临界摩擦系数大小，当摩擦系数数值大于预设的临界摩擦系数时判定断裂带受力状态为受力破裂，当摩擦系数数值小于或等于预设的临界摩擦系数时判定断裂带受力状态为受力闭合；

25、提取断裂几何与力学参数中的断裂断距数值与断层泥厚度数值，将断裂断距数值除以断层泥厚度数值得到涂抹比值，对比涂抹比值与预设的临界涂抹比值大小，当涂抹比值大于预设的临界涂抹比值时判定断层泥涂抹情况为涂抹不连续，当涂抹比值小于或等于预设的临界涂抹比值时判定断层泥涂抹情况为涂抹连续；

26、综合断裂带受力状态与断层泥涂抹情况，当断裂带受力状态为受力破裂且断层泥涂抹情况为涂抹不连续时，判定断裂在各时期处于裂开导通状态，当断裂带受力状态为受力闭合或断层泥涂抹情况为涂抹连续时，判定断裂在各时期处于闭合封堵状态；

27、提取记录的有效排氦时间段，将断裂处于裂开导通状态的时期与有效排氦时间段进行时间轴比对，判断二者在时间节点上是否同步重合；

28、当断裂处于裂开导通状态的时期与有效排氦时间段同步重合时，将断裂处于裂开导通状态的时期的时间跨度数值除以有效排氦时间段的时间跨度数值，计算得出断裂在对应有效排氦时间段下的通源时效系数，当断裂处于裂开导通状态的时期与有效排氦时间段未同步重合时，将未同步重合的断裂处于裂开导通状态的时期的时间跨度数值除以有效排氦时间段的时间跨度数值，计算得出断裂在对应有效排氦时间段下的散失漏逸系数。

29、可选的，所述盖层抗散失评估模块具体包括：

30、提取地质基础数据集中的盖层微纳米孔径分布测试数据，从盖层微纳米孔径分布测试数据中读取孔隙半径最大数值，将预设的氦气界面张力数值除以孔隙半径最大数值，计算得出毛细管阻力数值；

31、提取地质基础数据集中的现今地应力数据，从现今地应力数据中读取最大水平主应力数值与最小水平主应力数值，从断裂几何与力学参数中读取岩石抗拉强度数值与岩石杨氏模量数值，基于线弹性断裂力学，最大与最小水平主应力差形成的剪应力在超过岩石抗拉强度时导致岩石张裂，该水平应力差即为驱动微裂缝张开的等效驱动力；将最大水平主应力数值减去最小水平主应力数值并减去两倍的岩石抗拉强度数值，得到应力差值数值；

32、将应力差值数值乘以预设的微裂缝高度数值并乘以预设的裂缝半长数值，将乘积结果除以岩石杨氏模量数值及量纲换算系数，计算得出微裂缝张开宽度数值，其中引入量纲换算系数以统一公式两边量纲；将毛细管阻力数值乘以预设的阻力权重系数得到氦气阻力数值；将微裂缝张开宽度数值乘以预设的逃逸权重系数得到氦气逃逸指数数值，基于流体力学立方定律，裂缝逃逸通量与张开宽度成正比，该乘积结果用于动态表征对应地质历史时期的氦气相对散失通量；所述预设的微裂缝高度数值的设定依据为基于岩心显微ct扫描与薄片观测统计的裂缝纵向平均延伸尺度进行赋值，取值范围为0.2至0.8m；所述预设的裂缝半长数值的设定依据为基于测井裂缝识别与野外露头实测统计的裂缝面半径均值进行赋值，取值范围为0.5至1.5m；所述预设的阻力权重系数的设定依据为基于氦气岩心驱替实验统计的毛细管阻力对抗散失能力的贡献度比例进行赋值，取值范围为0.6至0.8；所述预设的逃逸权重系数的设定依据为基于氦气岩心驱替实验统计的裂缝逃逸量对抗散失能力的贡献度比例进行赋值，取值范围为0.2至0.4；

33、将氦气逃逸量数值乘以预设的区域地应力梯度常数，计算得到氦气逃逸压力数值，将氦气阻力数值减去氦气逃逸压力数值得到抗散失差值数值，将抗散失差值数值除以氦气阻力数值，计算得出盖层抗散失系数。

34、可选的，所述动态成藏预测模块具体包括：

35、通过输入模块将有效排氦时间段、排氦强度数值、通源时效系数或散失漏逸系数、盖层抗散失系数提取至同一时间节点，将排氦强度数值、通源时效系数或散失漏逸系数、盖层抗散失系数按照有效排氦时间段的先后时间顺序首尾相接拼接为一个一维数组，并归一化输入至改进的分数阶灰色预测模型中；

36、通过状态触发模块按顺序读取一维输入向量中的各个元素数值，将一维输入向量中后一个元素数值减去前一个元素数值并取绝对值得到相邻差值绝对值，将所有相邻差值绝对值相加并除以相邻差值绝对值的总个数得到平均变化率数值，将平均变化率数值与预设的波动阈值进行比对，当平均变化率数值大于预设的波动阈值时输出第一触发信号，当平均变化率数值小于或等于预设的波动阈值时输出第二触发信号；

37、通过分数阶累加模块接收第一触发信号或第二触发信号，当接收到第一触发信号时，将分数阶累加模块的分数阶累加阶数设定为预设的高阶数值，当接收到第二触发信号时，将分数阶累加模块的分数阶累加阶数设定为预设的低阶数值；

38、在分数阶累加模块中执行边界约束的变下限累加机制，执行动态变化下限的筛选操作，并利用伽马函数计算得到每个有效历史元素数值对应的分数阶权重数值，输出边界约束后的分数阶累加序列；

39、通过微分耦合模块读取边界约束后的分数阶累加序列，将边界约束后的分数阶累加序列中后一个分数阶累加数值减去前一个分数阶累加数值得到一阶差分序列，并乘以预设的发展系数得到发展项数值，将边界约束后的分数阶累加序列中的前一个分数阶累加数值乘以预设的作用系数得到作用项数值，将发展项数值加上作用项数值得到微分耦合预测值；

40、将微分耦合预测值加上预设的初始残差修正量，得到当前时间节点的氦气动态成藏概率数值，完成改进的分数阶灰色预测模型的预测过程。

41、可选的，所述在分数阶累加模块中执行边界约束的变下限累加机制，执行动态变化下限的筛选操作，并利用伽马函数计算得到每个有效历史元素数值对应的分数阶权重数值，输出边界约束后的分数阶累加序列，具体包括：

42、在分数阶累加模块中执行边界约束的变下限累加机制，按顺序读取一维输入向量中的每个元素数值作为当前元素数值，读取当前元素数值对应的有效排氦时间段作为当前时间节点，读取一维输入向量中当前元素数值之前的所有元素数值作为历史元素数值；

43、读取历史元素数值对应的有效排氦时间段作为历史时间节点，从目标区埋藏史演化数据中读取当前时间节点与历史时间节点之间的时间跨度数值作为节点时间差，将节点时间差减去预设的时间窗口常数得到动态下限差值；

44、当动态下限差值小于或等于零时，将对应的历史元素数值剔除，当动态下限差值大于零时，将对应的历史元素数值保留为有效历史元素数值，执行动态变化下限的筛选操作；

45、获取当前元素数值在分数阶累加模块中的分数阶累加阶数，将当前元素数值在序列中的位置序号设为i，将有效历史元素数值在序列中的位置序号设为j，将i减去j得到时间步长数值，将分数阶累加阶数减去一得到第一参数数值，将第一参数数值加上时间步长数值并减去一得到第二参数数值；

46、利用伽马函数计算第一和第二参数数值对应的伽马函数值作为第一伽马数值和第二伽马数值，计算分数阶累加阶数对应的伽马函数值作为第三伽马数值，从一开始连乘至时间步长数值，将连乘得到的结果作为时间步长阶乘结果；

47、将第一伽马数值乘以第二伽马数值得到第一乘积结果，将第三伽马数值乘以时间步长阶乘结果得到第二乘积结果，将第一乘积结果除以第二乘积结果得到分数阶权重数值，计算得到每个有效历史元素数值对应的分数阶权重数值；

48、将每个有效历史元素数值乘以对应的分数阶权重数值得到历史加权乘积结果，将所有历史加权乘积结果相加，并加上当前元素数值乘以当前元素数值对应的分数阶权重数值的乘积结果，得到当前元素的分数阶累加数值，将一维输入向量中所有元素的分数阶累加数值按顺序排列得到边界约束后的分数阶累加序列。

49、可选的，所述成藏图谱生成模块具体包括：

50、将所有网格的氦气动态成藏概率数值导入三维空间坐标系中，读取相邻网格的氦气动态成藏概率数值，当相邻网格的氦气动态成藏概率数值差值小于预设的平滑差值阈值时，执行三维空间平滑连线插值；

51、将平滑替换后的氦气动态成藏概率数值与预设概率阈值进行比对，当平滑替换后的氦气动态成藏概率数值大于预设概率阈值时，将对应的网格标记为候选成藏网格，将所有相邻的候选成藏网格的外边缘依次首尾相连进行圈闭，形成封闭的多边形边界；

52、读取所有候选成藏网格的氦气动态成藏概率数值并相互比对，查找到数值最大的网格作为最高概率网格，并读取对应的有效排氦时间段，并标记为最佳成藏时间窗口；

53、读取最高概率网格和相邻网格对应的散失漏逸系数，将散失漏逸系数大于预设风险系数阈值的网格标记为高风险网格，将所有相邻的高风险网格的外边缘依次首尾相连进行圈闭，形成漏失风险区，将最佳成藏时间窗口的标签与漏失风险区的多边形边界叠加绘制至候选成藏网格的多边形边界上，生成并输出氦气有利勘探区空间分布多边形图谱。

54、本发明的有益效果是：

55、本发明通过构建多源数据时空对齐机制与部署生排氦动力判定模块，针对氦气勘探中地质要素评价割裂、时空匹配关系混乱与定量表征难度高的问题，采用生氦内压与基底孔隙流体压力逐时期对比执行有效排氦时间段判定，结合断裂通源与漏失判定及盖层抗散失评估执行多维参数定量计算，生成时空对齐的成藏基础数据；通过成藏基础数据结构化封装与时间序列拼接，构建一维输入向量；将一维输入向量输入改进的分数阶灰色预测模型，分别通过状态触发模块执行波动特征识别与阶数自适应设定，利用嵌入边界约束的变下限累加机制执行动态时间窗口筛选与分数阶权重计算，输出边界约束后的分数阶累加序列；在成藏预测阶段，结合微分耦合模块执行一阶差分计算与残差修正，输出氦气动态成藏概率数值；进一步通过成藏图谱生成模块对三维空间网格概率值执行平滑插值、阈值圈闭与风险区标记，完成氦气有利勘探区空间分布图谱的输出。最终实现对氦气成藏过程的多要素耦合分析、动态概率预测与三维空间定位的闭环智能评价，有效提升成藏边界约束的动态筛选精度、动态成藏概率预测的准确性与勘探靶区优选的可靠性。