非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算方法与流程

1.本发明涉及石油天然气地球物理技术领域，具体涉及一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算方法。


背景技术：

2.致密砂岩受成岩过程中早期岩石作用和矿物胶结作用的影响，具有低孔、低渗及发育有微裂缝的地质特征，孔隙空间以次生孔隙为主，包含少量原生残余粒间孔，还发育有少量微裂缝，复杂的孔隙结构使储层表现出很强的非均质性。
3.干岩石骨架等效弹性模量对饱和岩石等效模量的预测有重要的影响，目前，干岩石骨架等效弹性模量可以通过岩石物理实验室直接测量获取，但是对于原位岩石性质的研究，尤其是干岩石骨架等效弹性模量的计算，较为困难，常用的方法为经验模型法。经验模型法一般是在大量数据分析的基础上建立干岩石骨架等效弹性模量与矿物弹性模量和孔隙度的公式表达式关系，通过公式表达式对干岩石骨架等效弹性模量进行计算。然而，由于这些经验岩石骨架模型的建立基于一定假设或某一类特定岩石，因此，不同经验模型对地质条件和岩石孔隙度的应用条件是有差异的，具有局限性。
4.常规油气致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量与岩石的基质矿物、孔隙度、非均匀孔隙结构等多种因素有关，常用经验模型不能充分描述地层的孔隙特征等因素对干岩石骨架等效弹性模量的影响，导致非均匀致密砂岩地层岩石骨架等效弹性模量计算的准确性低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算方法，用以解决现有的非均匀致密砂岩地层岩石骨架等效弹性模量计算准确性低的问题。
6.本发明提供一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算方法，包括：
7.获取非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据；
8.计算非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据；
9.根据所述非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据和所述非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据，结合非均匀致密砂岩地层固体基质、流体混合物和非均匀孔隙结构，建立非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型；
10.根据所述非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型，进行非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数反演，获得非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数；
11.根据所述非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型与所述非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数，计算非均匀致密砂岩地层干岩石骨架弹性模量。
12.进一步地，所述非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据包括非均匀致
密砂岩地层岩石固体基质的等效体积模量、等效剪切模量、等效密度和等效体积，所述获取非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据包括以下步骤：
13.步骤a1：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质的等效体积模量；
14.步骤a2：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质的等效剪切模量；
15.步骤a3：分别计算非均匀致密砂岩地层固体基质的等效密度和等效体积。
16.进一步地，所述步骤a3包括以下步骤：
17.步骤a31：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质等效密度，其计算公式为：
[0018][0019]
式中，ρ
o
表示岩石固体基质等效密度；k表示从第1到m种固体基质成分，m表示固体基质成分个数；ρ
k
表示构成固体基质各成分的密度；v
k
表示构成固体基质各成分的体积含量；
[0020]
步骤a32：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质等效体积，其计算公式为：
[0021][0022]
式中，v
o
表示岩石固体基质等效体积含量；v
k
表示构成固体基质各成分的体积含量；k表示从第1到m种固体基质成分，m表示固体基质成分个数。
[0023]
进一步地，所述计算非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据的步骤中，假定非均匀致密砂岩地层混合流体的等效剪切模量μ
f
＝0，计算非均匀致密砂岩地层混合流体的等效模量数据，包括非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积模量、等效密度和等效体积，
[0024]
其中，非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积模量的计算公式为：
[0025][0026]
式中，k
f
表示混合流体的等效体积模量；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；k
i
表示构成流体各成分的体积模量；f
i
表示各构成成分的体积含量；
[0027]
非均匀致密砂岩地层混合流体的等效密度的计算公式为：
[0028][0029]
式中，ρ
f
表示非均匀致密砂岩地层混合流体的等效密度；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；f
i
表示各构成成分的体积含量；ρ
i
表示构成流体各成分的密度；
[0030]
非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积的计算公式为：
[0031][0032]
式中，f表示流体混合物的等效体积含量；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；f
i
表示各构成成分的体积含量。
[0033]
进一步地，所述建立非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型包括以下步骤：
[0034]
步骤c1：引入软孔比例参数f
soft
描述致密砂岩的非均匀孔隙结构；
[0035]
步骤c2：计算非均匀致密砂岩的孔隙几何因子；
[0036]
步骤c3：分别计算非均匀致密砂岩的等效体积模量和等效剪切模量；
[0037]
步骤c4：计算非均匀致密砂岩的密度、纵波速度和横波速度。
[0038]
本发明还涉及一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算装置，包括：
[0039]
第一处理单元，用于获取非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据；
[0040]
第二处理单元，用于计算非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据；
[0041]
第三处理单元，用于根据所述非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据和所述非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据，结合非均匀致密砂岩地层固体基质、流体混合物和非均匀孔隙结构，建立非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型；
[0042]
第四处理单元，用于根据所述非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型，进行非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数反演，获得非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数；
[0043]
第五处理单元，用于根据所述非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型与所述非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数，计算非均匀致密砂岩地层干岩石骨架弹性模量。
[0044]
本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0045]
本发明还涉及一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0047]
本发明公开了一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架弹性模量的计算方法，通过岩石物理建模、基于模型的孔隙结构参数反演、非均匀致密砂岩地层岩石骨架模量计算等步骤，提供了一种适用于非均匀致密砂岩储层、且能够提高岩石骨架模量计算准确度的方法。根据建立的非均匀致密砂岩岩石物理模型计算岩石骨架模量的方法考虑了矿物基质、孔隙度、孔隙结构等因素，相比常规经验公式方法，不仅更适用于具有非均匀孔隙结构的致密砂岩地层，而且还提高对非均匀致密砂岩地层岩石骨架模量描述的准确性。
具体实施方式
[0048]
实施例1
[0049]
实施例1提供一种非均匀致密砂岩地层干岩石骨架等效弹性模量的计算方法，该方法包括以下步骤：
[0050]
步骤a：获取非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据，具体包括以下步骤：
[0051]
首先，获取非均匀致密砂岩地层固体基质的常规测井数据，包括岩石固体基质中的矿物组分及其含量；获取各成分对应的矿物弹性模量参数，包括体积模量与剪切模量；根据岩石固体基质中的矿物组分及其含量、矿物弹性模量参数，计算非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量等数据，该非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据包括非均匀致密砂岩地层岩石固体基质的等效体积模量、等效剪切模量、等效密度和等效体积，具体包括以下步骤：
[0052]
步骤a1：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质的等效体积模量，其计算公式如式1至式4所示：
[0053]
k
hs
＝(k
hs
k
hs
‑
)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)
[0054]
k
hs
＝λ(μ
max
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
[0055]
k
hs
‑
＝λ(μ
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
[0056][0057]
式中，k
hs
表示岩石固体基质的等效体积模量；
[0058]
k
hs
‑
表示岩石固体基质等效体积模量的下限值，μ
min
表示岩石固体基质各成分剪切模量的最小值；
[0059]
k
hs
表示岩石固体基质等效体积模量的上限值，μ
max
表示岩石固体基质各成分剪切模量的最大值；
[0060]
λ(l)为表示岩石固体基质等效体积模量上限值或下限值的函数，l表示岩石固体基质各成分剪切模量的最大值μ
max
或最小值μ
min
，k(r)表示岩石固体基质第r个组成成分的体积模量，尖括号＜＞表示对岩石固体基质各组成成分按其体积含量求加权平均。
[0061]
步骤a2：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质等效剪切模量，其计算公式如式5至式9所示：
[0062]
μ
hs
＝(μ
hs
μ
hs
‑
)/2
ꢀꢀꢀꢀ
(式5)
[0063]
μ
hs
＝γ(ζ(k
max
,μ
max
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式6)
[0064]
μ
hs
‑
＝γ(ζ(k
min
,μ
min
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式7)
[0065][0066][0067]
式中，μ
hs
表示岩石固体基质的等效剪切模量；
[0068]
μ
hs
表示岩石固体基质等效剪切模量的上限值，k
max
表示岩石固体基质各成分体积模量的最大值，μ
max
是岩石固体基质各成分剪切模量的最大值；
[0069]
μ
hs
‑
表示岩石固体基质等效剪切模量的下限值，k
min
是岩石固体基质各成分体积模量的最小值，μ
min
是岩石固体基质各成分剪切模量的最小值；
[0070]
γ(z)为表示岩石固体基质等效剪切模量上限值μ
hs
或下限值μ
hs
‑
的函数，μ(r)表示岩石固体基质第r个组成成分的剪切模量；z为岩石固体基质等效剪切模量上限值μ
hs
或下限值μ
hs
‑
的中间变量；
[0071]
k表示岩石固体基质各成分体积模量的最大值k
max
或最小值k
min
；
[0072]
μ表示岩石固体基质各成分剪切模量的最大值μ
max
或最小值μ
min
。
[0073]
步骤a3：分别计算非均匀致密砂岩地层固体基质的等效密度和等效体积，其计算公式如式10至式11所示：
[0074]
步骤a31：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质等效密度，其计算公式为：
[0075]
[0076]
式中，ρ
o
表示岩石固体基质等效密度；k表示从第1到m种固体基质成分，m表示固体基质成分个数；ρ
k
表示构成固体基质各成分的密度；v
k
表示构成固体基质各成分的体积含量。
[0077]
步骤a32：计算非均匀致密砂岩地层岩石固体基质等效体积，其计算公式为：
[0078][0079]
式中，v
o
表示岩石固体基质等效体积含量；v
k
表示构成固体基质各成分的体积含量；k表示从第1到m种固体基质成分，m表示固体基质成分个数。
[0080]
步骤b：假定非均匀致密砂岩地层混合流体的等效剪切模量μ
f
＝0，计算非均匀致密砂岩地层混合流体的等效模量数据，该等效模量数据包括非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积模量、等效密度和等效体积，具体包括以下步骤：
[0081]
首先，获取非均匀致密砂岩地层流体混合物的常规测井数据，包括地层流体混合物的流体组分及其含量；获取各成分对应的流体弹性模量参数，包括体积模量与剪切模量；根据非均匀致密砂岩地层流体混合物流体组分及其含量、流体弹性模量参数，计算非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效弹性模量等数据，具体包括以下步骤：
[0082]
其中，非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积模量的计算公式为：
[0083][0084]
式中，k
f
表示混合流体的等效体积模量；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；k
i
表示构成流体各成分的体积模量；f
i
表示各构成成分的体积含量。
[0085]
非均匀致密砂岩地层混合流体的等效密度的计算公式为：
[0086][0087]
式中，ρ
f
表示非均匀致密砂岩地层混合流体的等效密度；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；f
i
表示各构成成分的体积含量；ρ
i
表示构成流体各成分的密度。
[0088]
非均匀致密砂岩地层混合流体的等效体积含量的计算公式为：
[0089][0090]
式中，f表示流体混合物的等效体积含量；i表示从第1到n种流体成分，n表示流体成分数目；f
i
表示各构成成分的体积含量。
[0091]
步骤c：利用步骤a获得的非均匀致密砂岩地层固体基质的等效弹性模量数据和步骤b获得的非均匀致密砂岩地层流体混合物的等效体积模量数据，结合非均匀致密砂岩地层固体基质、流体混合物和非均匀孔隙结构，建立非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型，包括以下步骤：
[0092]
步骤c1：引入软孔比例参数f
soft
描述致密砂岩的非均匀孔隙结构；
[0093]
设岩石的总孔隙空间为总孔隙度φ
total
，高纵横比的微观孔隙为硬孔隙，其孔隙度为φ
stiff
，低纵横比的微裂隙为软孔隙，其孔隙度为φ
soft
，岩石的总孔隙空间等效为硬孔隙与软孔隙这两部分的组合，其表达式为：
[0094]
φ
total
＝φ
stiff
φ
soft
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(式15)
[0095]
假设将硬孔隙等效为球形孔隙，将软孔隙等效为微裂缝，即纵横比α
stiff
＝1的球形
孔隙为硬孔隙，纵横比为α
soft
＝0.01的微裂缝为软孔隙，岩石物理模型中以总孔隙空间中的软孔比例f
soft
＝φ
soft
/φ
total
表征孔隙结构特征；将混合流体填充入硬孔隙、软孔隙中，硬孔隙的体积模量k
stiff
、软孔隙的体积模量k
soft
与岩石总体积模量k
f
相等，即k
stiff
＝k
soft
＝k
f
，硬孔隙的剪切模量μ
stiff
、软孔隙的剪切模量μ
soft
与岩石总剪切模量μ
f
相等，即μ
stiff
＝μ
soft
＝μ
f
。
[0096]
步骤c2：计算非均匀致密砂岩的孔隙几何因子；
[0097]
假设将硬孔隙等效为球形孔隙，将软孔隙等效为微裂缝，即纵横比α
stiff
＝1的球形孔隙为硬孔隙，纵横比为α
soft
＝0.01的微裂缝为软孔隙，分别计算硬孔隙和软孔隙的几何因子，而计算致密砂岩等效体积模量所需的岩石固体基质的几何因子p
hs
＝1，计算致密砂岩等效剪切模量所需的岩石固体基质的几何因子q
hs
＝1；
[0098]
非均匀致密砂岩的孔隙几何因子的计算公式如下：
[0099][0100][0101][0102][0103][0104][0105]
式中，ξ表示孔隙几何因子的中间变量；
[0106]
μ
hs
表示岩石固体基质的等效剪切模量；
[0107]
k
hs
表示岩石固体基质的等效体积模量；
[0108]
β表示软孔隙几何因子所需的中间变量；
[0109]
p
stiff
表示致密砂岩体积模量所需的硬孔隙几何因子；
[0110]
k
stiff
表示硬孔隙的体积模量；
[0111]
q
stiff
表示致密砂岩剪切模量所需的硬孔隙几何因子；
[0112]
p
soft
表示致密砂岩体积模量所需的软孔隙几何因子；
[0113]
q
soft
表示致密砂岩剪切模量所需的软孔隙几何因子；
[0114]
μ
soft
表示软孔隙的剪切模量；
[0115]
α
soft
表示软孔隙的纵横比；
[0116]
k
soft
表示软孔隙的体积模量。
[0117]
非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型包括非均匀致密砂岩的等效体积模量和等效剪切模量、非均匀致密砂岩的密度和纵波速度和横波速度。
[0118]
步骤c3：分别计算非均匀致密砂岩的等效体积模量和等效剪切模量，包括以下步骤：
[0119]
步骤c31：计算致密砂岩的等效体积模量，其计算公式为：
[0120][0121]
式中，角标j表示第j相等效致密砂岩组分，n表示等效致密砂岩组分数目；x
j
为岩石固体基质、硬孔隙和软孔隙各自的体积含量；k
j
表示岩石固体基质等效体积模量k
hs
以及硬孔隙的等效体积模量k
stiff
、软孔隙的等效体积模量k
soft
，表示致密砂岩的等效体积模量，p
j
表示计算致密砂岩等效体积模量所需的岩石固体基质几何因子p
hs
、硬孔隙几何因子p
stiff
和软孔隙几何因子p
soft
。
[0122]
步骤c32：计算致密砂岩的等效剪切模量，其计算公式为：
[0123][0124]
式中，μ
j
表示岩石固体基质等效剪切模量μ
hs
以及硬孔隙的等效剪切模量μ
stiff
、软孔隙的等效剪切模量μ
soft
，表示致密砂岩的等效剪切模量，q
j
表示计算致密砂岩等效剪切模量所需的岩石固体基质几何因子q
hs
、硬孔隙几何因子q
stiff
和软孔隙几何因子q
soft
。
[0125]
步骤c4：计算非均匀致密砂岩的密度、纵波速度和横波速度，其计算公式为：
[0126][0127][0128]
ρ
*
＝ρ
o
v0 ρ
f
f(式26)
[0129]
式中，vp表示致密砂岩的纵波速度，表示致密砂岩的等效体积模量，表示致密砂岩的等效剪切模量，ρ
*
表示致密砂岩的密度；vs表示致密砂岩的横波速度；ρ
o
表示岩石固体基质等效密度，v0表示岩石固体基质等效体积含量；ρ
f
表示流体混合物的等效密度，f表示流体混合物的等效体积含量。
[0130]
步骤d：根据所述步骤c建立的非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型，进行非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数反演，获得非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数。
[0131]
软孔比例参数f
soft
为未知参数，为求取该参数并将其应用于非均匀致密砂岩地层干岩石骨架弹性模量的计算，需进行软孔比例参数f
soft
的反演。非均匀致密砂岩储层孔隙结构参数的反演依托于模型的正演，基于步骤c中建立的非均匀致密砂岩岩石物理模型，将不同软孔比例f
soft
作为拟合参数输入岩石物理模型中，计算得到不同软孔比例f
soft
所对应不同的纵波速度和横波速度的正演结果。
[0132]
通过寻找使得计算的纵波速度和井中实测的纵波速度达到最佳拟合时对应的软孔比例f
soft
参数，输出该最佳拟合时对应的软孔比例f
soft
参数、纵波速度和横波速度，在缺少井中横波实测数据的情况下可作为对横波速度的估计。最佳拟合时对应的软孔比例f
soft
参数，即为反演出的软孔比例的最佳结果。
[0133]
步骤e：根据所述步骤c建立的非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型与所述步骤d获得的非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数，计算非均匀致密砂岩地层干岩石骨架弹性模量。
[0134]
干岩石骨架模量可以通过将流体饱和岩石中孔隙空间填充物即流体的体积模量和剪切模量设为零来模拟。根据步骤d中非均匀致密砂岩地层孔隙结构参数，如软孔比例，在软孔比例所表示的孔隙结构的基础上，将孔隙空间填充物的弹性模量设为零，根据步骤c中建立的非均匀致密砂岩地层的流体饱和的岩石物理模型，计算干岩石骨架弹性模量。
[0135]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。