1.本发明提供了一种富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，属于油气地球物理领域。
背景技术：2.陆相湖盆富有机质泥页岩，与北美勘探开发程度较高的海相页岩不同，具有页岩相变快、构造复杂、地层能量低，储层非均质性强，油质重、黏度高、流动性差等特点，这导致陆相页岩油勘探开发面临巨大挑战。因此，加强相关基础研究势在必行。
3.地震响应特征是其中的关键研究内容之一，该研究是借由地震属性求取储层物性参数(有机质、黏土含量、孔隙度等)及力学特征(弹性模量、脆性指标等)的直接桥梁。作为首要环节，需要构建地震岩石物理模型，建立岩石微观结构参数与宏观地震响应之间的量化关系。地震响应受控于自身结构特征，如何充分计及主要组成矿物、有机质、孔隙结构等空间分布特点，建立一套从微观尺度更为精确描述相关结构特征的理论模型是研究陆相富有机质泥页岩地震岩石物理特征与响应机制的关键所在。
4.有机质与黏土矿物是泥页岩的两大重要组成部分，二者在沉积演化过程中形成的有机黏土复合体，是油气生成的天然母质，对泥页岩中有机质的富集与保存具有重要作用。现有地震岩石物理模型多侧重于有机质及孔隙结构刻画，对黏土矿物以及黏土矿物与有机质间关系的研究尚有不足，未能充分考虑将有机质与黏土矿物作为一个相互关联的系统来研究的重要意义。
技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种数值模拟方法，在能够充分考虑有机黏土复合体微观结构的基础上，用于富有机质泥页岩地震响应仿真建模研究。
6.为实现上述目的，本发明提供一种富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，包括以下步骤：
7.1)通过对所述富有机质泥页岩心样本进行信息采集与图像处理，获得所述岩心样品的数字岩心二维图像并捕捉所述岩心样本的主要组成矿物及空间分布特征；
8.2)根据步骤1中得到的岩心样本的主要组成矿物及空间分布特征生成所述富有机质泥页岩样本的岩石物理模型；
9.3)根据步骤2生成的所述岩石物理模型建立对应的晶格弹簧模型用于地震响应仿真建模。
10.所述步骤1)包括：
11.11)对所述岩心样本进行信息采集与图像处理包括采用下述的彩色转灰度值公式(1)将所述岩心样本的数字岩心二维图像转化为灰度图
12.i
gray
＝i
red
·
0.299+i
green
·
0.587+i
blue
·
0.114
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
13.式中，i
gray
代表灰度值；i
red
、i
green
、i
blue
分别代表红色、绿色、蓝色的分量值；
14.12)根据不同介质对x射线透射率的差异性来确定岩心样本的主要矿物及空间分布特征；
15.13)结合步骤11)获得的灰度图和步骤12)获得的所述岩心样本的主要矿物及空间分布特征将所述岩心样本的数字岩心二维图像重构为三维图像，将所述三维图像命名为数字岩心。
16.所述步骤12)中，由于黄铁矿与孔隙结构由于具有较高的吸收系数差异性，而有机质、脆性矿物、粘土矿物、有机黏土复合体等具有相近的吸收系数，因而初步将岩心样本的介质划分为：不规则孔隙结构、黄铁矿和初步岩石骨架三组介质。
17.所述步骤1)中的岩心样本的信息采集方法包括高精度ct成像、综合矿物分析电镜和/或扫描电子显微镜。
18.所述步骤2)包括：
19.21)统计步骤12中的初步岩石骨架中有机物、有机黏土复合体、粘土矿物的分布特征，确定随机介质统计模型，并根据数字岩心尺寸生成三维随机介质图像；
20.22)对所述三维随机介质图像进行布尔运算，对经过布尔运算的三维随机介质图像进行二值化图像处理，并进行分水岭变换，利用所述三维随机介质图像模拟划分出初步岩石骨架的各结构物质；
21.23)估算步骤22)中获得的各结构物质的弹性材料参数。
22.所述步骤22)中所述的各结构物质包括有机质、黏度矿物、有机黏土复合体的团块以及最终岩石骨架。
23.所述步骤2)具体为：
24.21)统计岩心样本中有机物、有机黏土复合体、粘土矿物的分布特征，确定合理的随机介质统计模型，并根据数字岩心样本尺寸生成三维随机介质图像，记为v
sample
，采用混合型随机介质三维模型：
[0025][0026]
其中a、b、c为介质在x、y、z方向上的自相关长度，r称为粗糙度因子，这些参数通过对扫描图像进行反演估算；
[0027]
22)对三维随机介质图像进行布尔运算，
[0028]vrest
＝v
sample-(v
pore
∪v
pyrite
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]
对经过布尔运算的三维图像v
rest
进行二值化图像处理，并进行分水岭变换，将三维图像划分为代表有机质、黏度矿物、有机黏土复合体的团块，以及最终岩石骨架，获取对应的几何信息矢量文件，分别记为v1、
……
、vi、
……
、vn，v
matrix
，其中下标i表示第i个团块，n表示识别出的团块的数目，v
matrix
为最终岩石骨架；
[0030]
23)计算组成数字岩心样本的不规则孔隙结构v
pore
、黄铁矿v
pyrite
、基于随机介质生成的团块为v1、
……
、vi、
……
、vn，以及最终岩石骨架v
matrix
的弹性材料参数，
[0031]
这些参数满足下式：
[0032]vsample
＝v1+
…
+vi+
…
+vn+v
matrix
+v
pore
+v
pyrite
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0033]
假设每一组介质满足各向同性特征，则每组只需要两个独立的弹性材料参数，这
里选择体积模量k与剪切模量μ，其中孔隙结构v
pore
与黄铁矿v
pyrite
的弹性材料参数视为由一种组分构成；而团块与最终岩石骨架则可能由多种组分构成，尽管最终岩石骨架v
matrix
是由包括黏土矿物、脆性矿物等多种矿物构成，但这里可以只关注最终岩石骨架的整体材料特征，也用两个独立的材料弹性参数进行描述；假设团块的组分主要由黏土与有机质构成，第i个团块二者的占比分别记为与二者满足
[0034][0035]
即当时，表示团块为有机质，当时，表示团块为纯黏土，当且时，表示团块为有机黏土复合体，每个团块中的与根据样品测得的黏土与有机质含量随机生成，基于hashin-shtrikman边界理论的平均值，估算每个团块的弹性材料参数，第i个团块的体积模型与剪切模量用ki与μi表示：
[0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042]
所述步骤3)包括：
[0043]
31)根据数字岩心的尺寸生成随机紧密排布的晶格节点，确定代表每组矿物的晶格节点，并进行分类编号；
[0044]
32)基于最邻近搜索算法生成晶格弹簧网络，并确定晶格弹簧模型中各晶格节点的输入参数；
[0045]
33)综合超声实验数据，识别代表最终岩石骨架的微观弹簧刚度参数，基于该晶格弹簧模型进行地震响应数值模拟，即得到计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟的晶格弹簧模型。
[0046]
所述步骤3)具体为：
[0047]
31)根据数字岩心尺寸v
sample
生成随机紧密排布的晶格节点，并确定代表每组矿物的晶格节点，由步骤1)与步骤2)共生成n+3个三维几何信息文件(即.stl文件)，通过循环方式分别判定晶格节点属于的各自几何空间，删除不规则孔隙结构v
pore
代表的几何空间内的晶格节点，并将其他晶格节点进行分类编号；
[0048]
32)基于最邻近搜索算法生成晶格弹簧网络，并确定晶格弹簧模型中代表团块(v1、
……
、vi、
……
、vn)与黄铁矿v
pyrite
的晶格节点的输入参数，晶格节点的弹性参数主要包括法向弹簧刚度kn与切向弹簧刚度ks，微观弹簧参数与宏观材料性质之间满足下述关系：
[0049][0050][0051][0052]
其中α是微结构系数，lj是第j个晶格弹簧的长度，vm是每个三维几何空间体积，k和μ是每个三维几何空间代表的宏观材料的体积模量与剪切模量，团块的宏观弹性材料参数在步骤2)公式(6)-(10)求得，黄铁矿v
pyrite
的宏观弹性材料参数通过查询岩石矿物手册可得到，最终岩石骨架v
matrix
的宏观弹性材料参数待定；
[0053]
33)对步骤1)中的岩心样本进行超声检测，综合超声实验数据，识别代表最终岩石骨架v
matrix
的微观弹簧刚度参数，通过超声实验可以得到超声波在介质中传播的纵波v
p
与横波速度vs，进而通过下式，可以估算样本的宏观体积模量k
sample
与剪切模量μ
sample
[0054][0055][0056]
基于最小二乘法构造数值模拟数据与超声实验数据的目标函数如下式所示，
[0057][0058]
式中，s代表待校准输入参数数据集，这里包括代表最终岩石骨架v
matrix
的微观弹簧刚度参数，即法向弹簧刚度kn与切向弹簧刚度ks，k(s)与μ(s)表示采用不同的s得到的模拟结果，经过多次迭代校准得到最优输入参数数据集s，即得到计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟的晶格弹簧模型。
[0059]
其中，所述三维几何信息文件为stl文件。
[0060]
其中，所述富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法为能够充分考虑有机黏土复合体微观结构的计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法。
[0061]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明综合了先进的图像处理技术、随机介质理论与离散建模方法等，提出了一种计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，该模型充分考虑了富有机质泥页岩中有机黏土复合体微观结构特征，创新的采用晶格弹簧模型用于这种复杂介质的地震响应模拟，可以有效提高建模精度，充分考虑小尺度细观微结构诱发的波场异常特征，以期为基于弹性波动理论进行油气藏富集区识别与预测提供必要理论基础，该研究将对我国陆相页岩油勘探开发具有十分重要的科学意义。
附图说明
[0062]
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0063]
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。
[0064]
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0065]
本发明采取以下技术方案：一种计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，包括以下步骤：
[0066]
1)根据高精度ct成像与图像处理技术，“真实”地捕捉岩心样本主要组成矿物及孔隙结构等空间分布特征；
[0067]
2)生成计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩样本的岩石物理模型；
[0068]
3)根据岩石物理模型建立对应的晶格弹簧模型用于地震响应仿真建模。
[0069]
所述的一种计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，优选的，所述步骤1)的具体过程如下：
[0070]
①
采用下述的彩色转灰度值公式(1)将数字岩心二维图像转化为灰度图：
[0071]igray
＝i
red
·
0.299+i
green
·
0.587+i
blue
·
0.114
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0072]
式中，i
gray
代表灰度值；i
red
、i
green
、i
blue
分别代表红色、绿色、蓝色的分量值；
[0073]
②
针对不同介质对x射线透射率的差异性来确定岩心样本的主要矿物空间分布特征，由于黄铁矿与孔隙结构由于具有较高的吸收系数差异性，而有机质、脆性矿物、粘土矿物、有机黏土复合体等具有相近的吸收系数，因而初步将数字岩心划分为：不规则孔隙结构、黄铁矿、初步岩石骨架(岩石骨架的初步划分结果，与步骤2)中生成的最终岩石骨架加以区分)三组介质；
[0074]
③
采用marching cubes算法将不规则孔隙结构、黄铁矿的二维图片重构为三维图像，获取对应的几何信息矢量文件(一般为.stl格式)，分别记为v
pore
与v
pyrite
。
[0075]
所述的一种计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，优选的，所述步骤2)的具体过程如下：
[0076]
①
综合矿物分析电镜、扫描电子显微镜等更细观尺度成像结果，统计岩心样本有机物、有机黏土复合体、粘土矿物的分布特征，确定合理的随机介质统计模型，并根据数字岩心样本尺寸生成三维随机介质图像，记为v
sample
，采用混合型随机介质三维模型：
[0077][0078]
其中a、b、c为介质在x、y、z方向上的自相关长度，r称为粗糙度因子，这些参数通过对扫描图像进行反演估算。
[0079]
②
对三维随机介质图像进行布尔运算，
[0080]vrest
＝v
sample-(v
pore
∪v
pyrite
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0081]
对经过布尔运算的三维图像v
rest
进行二值化图像处理，并进行分水岭变换，将三维图像划分为代表有机质、黏度矿物、有机黏土复合体等的团块，以及最终岩石骨架，获取对应的几何信息矢量文件(一般为.stl格式)，分别记为v1、
……
、vi、
……
、vn，v
matrix
，其中下标i表示第i个团块，n表示识别出的团块的数目，v
matrix
为最终的最终岩石骨架；
[0082]
③
计算组成数字岩心样本的不规则孔隙结构v
pore
、黄铁矿v
pyrite
、基于随机介质生成的团块为v1、
……
、vi、
……
、vn，以及最终岩石骨架v
matrix
的弹性材料参数，这些参数满足下式：
[0083]vsample
＝v1+...+vi+...+vn+v
matrix
+v
pore
+v
pyrite
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0084]
假设每一组介质满足各向同性特征，则每组只需要两个独立的弹性材料参数，这里选择体积模量k与剪切模量μ，其中孔隙结构v
pore
与黄铁矿v
pyrite
的弹性材料参数视为由一种组分构成；而团块与最终岩石骨架则可能由多种组分构成，尽管最终岩石骨架v
matrix
是由包括黏土矿物、脆性矿物等多种矿物构成，但这里可以只关注最终岩石骨架的整体材料特征，也用两个独立的材料弹性参数进行描述；假设团块的组分主要由黏土与有机质构成，第i个团块二者的占比分别记为与二者满足
[0085][0086]
即当时，表示团块为有机质，当时，表示团块为纯黏土，当且时，表示团块为有机黏土复合体，每个团块中的与根据样品测得的黏土与有机质含量随机生成，基于hashin-shtrikman边界理论的平均值，估算每个团块的弹性材料参数，第i个团块的体积模型与剪切模量用ki与μi表示：
[0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093]
所述的一种计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，优选的，所述步骤3)的具体过程如下：
[0094]
①
根据数字岩心尺寸v
sample
生成随机紧密排布的晶格节点，并确定代表每组矿物
的晶格节点，由步骤1)与步骤2)共生成n+3个三维几何信息文件(即.stl文件)，通过循环方式分别判定晶格节点属于的各自几何空间，删除不规则孔隙结构v
pore
代表的几何空间内的晶格节点，并将其他晶格节点进行分类编号；
[0095]
②
基于最邻近搜索算法生成晶格弹簧网络，并确定晶格弹簧模型中代表团块(v1、
……
、vi、
……
、vn)与黄铁矿v
pyrite
的晶格节点的输入参数，晶格节点的弹性参数主要包括法向弹簧刚度kn与切向弹簧刚度ks，微观弹簧参数与宏观材料性质之间满足下述关系：
[0096][0097][0098][0099]
其中α是微结构系数，lj是第j个晶格弹簧的长度，vm是每个三维几何空间体积，k和μ是每个三维几何空间代表的宏观材料的体积模量与剪切模量，团块的宏观弹性材料参数在步骤2)公式(6)-(10)求得，黄铁矿v
pyrite
的宏观弹性材料参数通过查询岩石矿物手册可得到，最终岩石骨架v
matrix
的宏观弹性材料参数待定；
[0100]
③
综合超声实验数据，识别代表最终岩石骨架v
matrix
的微观弹簧刚度参数，通过超声实验可以得到超声波在介质中传播的纵波v
p
与横波速度vs，进而通过下式，可以估算样本的宏观体积模量k
sample
与剪切模量μ
sample
[0101][0102][0103]
基于最小二乘法构造数值模拟数据与超声实验数据的目标函数如下式所示，
[0104][0105]
式中，s代表待校准输入参数数据集，这里包括代表最终岩石骨架v
matrix
的微观弹簧刚度参数，即法向弹簧刚度kn与切向弹簧刚度ks，k(s)与μ(s)表示采用不同的s得到的模拟结果，经过多次迭代校准得到最优输入参数数据集s，即得到计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟的晶格弹簧模型。
[0106]
以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本技术欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本技术中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。按以下附带的权利要求的范围，可以进行一些基本特征的应用。
技术特征：1.一种富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过对所述富有机质泥页岩心样本进行信息采集与图像处理，获得所述岩心样品的数字岩心二维图像并捕捉所述岩心样本的主要组成矿物及空间分布特征；2)根据步骤1中得到的岩心样本的主要组成矿物及空间分布特征生成所述富有机质泥页岩样本的岩石物理模型；3)根据步骤2生成的所述岩石物理模型建立对应的晶格弹簧模型用于地震响应仿真建模。2.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1)包括：11)对所述岩心样本进行信息采集与图像处理包括采用下述的彩色转灰度值公式(1)将所述岩心样本的数字岩心二维图像转化为灰度图：i
gray
＝i
red
·
0.299+i
green
·
0.587+i
blue
·
0.114
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，i
gray
代表灰度值；i
red
、i
green
、i
blue
分别代表红色、绿色、蓝色的分量值；12)根据不同介质对x射线透射率的差异性来确定岩心样本的主要矿物及空间分布特征；13)结合步骤11)获得的灰度图和步骤12)获得的所述岩心样本的主要矿物及空间分布特征将所述岩心样本的数字岩心二维图像重构为三维图像，将所述三维图像命名为数字岩心。3.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述步骤12)中，将岩心样本的介质划分为：不规则孔隙结构、黄铁矿和初步岩石骨架三组介质。4.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述对岩心样本进行信息采集包括采用高精度ct成像、综合矿物分析电镜和/或扫描电子显微镜进行。5.根据权利要求3所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2)包括：21)统计步骤12中的初步岩石骨架中有机物、有机黏土复合体、粘土矿物的分布特征，确定随机介质统计模型，并根据数字岩心尺寸生成三维随机介质图像；22)对所述三维随机介质图像进行布尔运算，对经过布尔运算的三维随机介质图像进行二值化图像处理，并进行分水岭变换，利用所述三维随机介质图像模拟划分出初步岩石骨架的各结构物质；23)估算步骤22)中获得的各结构物质的弹性材料参数。6.根据权利要求5所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述步骤22)中所述的各结构物质包括有机质、黏度矿物、有机黏土复合体的团块以及最终岩石骨架。7.根据权利要求1所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3)包括：31)根据数字岩心的尺寸生成随机紧密排布的晶格节点，确定代表每组矿物的晶格节点，并进行分类编号；32)基于最邻近搜索算法生成晶格弹簧网络，并确定晶格弹簧模型中各晶格节点的输
入参数；33)对步骤1)中的岩心样本进行超声检测，综合超声实验数据，识别代表最终岩石骨架的微观弹簧刚度参数，基于该晶格弹簧模型进行地震响应数值模拟，即得到计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟的晶格弹簧模型。8.根据权利要求1-7任一所述的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，其特征在于，所述富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法为能够充分考虑有机黏土复合体微观结构的计及有机黏土复合体微结构的富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法。
技术总结本发明公开了富有机质泥页岩地震响应数值模拟方法，包括1)根据岩心样本的信息采集与图像处理技术，捕捉岩心样本主要组成矿物及空间分布特征；2)根据步骤1中得到的岩心样本主要组成矿物及空间分布特征生成富有机质泥页岩样本的岩石物理模型；3)根据步骤2生成的岩石物理模型建立对应的晶格弹簧模型用于地震响应仿真建模。本发明的方法能够充分考虑了富有机质泥页岩中有机黏土复合体微观结构特征，创新的采用改进的晶格弹簧模型用于这种复杂介质的地震响应模拟，可以有效提高建模精度，充分考虑小尺度多矿物组分细观微结构诱发的波场异常特征。波场异常特征。波场异常特征。
技术研发人员：刘宁 胡文涛
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
