一种恢复石油与天然气盖层脆塑性演化史的方法

摘要

本发明提供了一种恢复石油与天然气盖层脆塑性演化史的方法，属于油气勘探领域。所述方法通过恢复特定地质历史时期盖层的温度及应力特征，以及由此导致的盖层塑性系数的变化，进而恢复盖层的脆塑性系数在不同地质历史时期的动态演化情况，从而评价盖层的封闭能力。应用本发明提出的方法可以将现有某些特定领域内比较成熟的技术系统组合成一个盖层有效性评价系统，不但能评价某个特定地质历史时期盖层的有效性，而且，可以与盆地的构造演化和地层的升降历史相结合，动态评价某个地质历史阶段内盖层封闭能力的变化特征。

说明书

技术领域

本发明属于油气勘探领域，具体涉及一种恢复石油与天然气盖层脆塑性演 化史的方法。

背景技术

目前现有的盖层封闭性评价方法，以突破压力为核心，以多种静态的岩石 力学参数为主体，具有一定的局限性。越来越多的勘探实践证明，在地层条件 下，盖层的脆塑特征和微裂缝产生风险是评价多旋回改造盆地中油气保存条件 中的关键问题。影响盖层脆塑性演变的主要地质因素包括：(1)盖层本身的岩 石力学性质；(2)盖层所处的地质环境中的地应力场；(3)盖层所处的地质环 境中的温度场特征。目前可以采用三轴岩石力学实验装置测试围压在100MPa以 内，温度在150℃以内的任意温压条件下盖层的塑性参数；可以利用声波测井曲 线计算现今的地应力场大小，可以利用有限元法数值模拟地质历史时期的地应 力场大小和方向；在地层剥蚀量恢复的基础上，可以模拟地层在任意地质历史 时期的古地温。但目前这些技术仅服务于单一的岩石力学性质评价、地应力场 恢复以及构造演化等领域，而不能作为特定盖层岩石层析在地质演化历史过程 中封闭性能的评价指标。

发明内容

目前关于油气盖层的脆塑性评价都基于对现今样品的静态测试，本发明的 目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种恢复石油与天然气盖层脆 塑性演化史的方法，在盖层岩石力学测试的基础上，结合地层古应力场和古温 度恢复，设定特定地质历史时期岩石经受的温度和压力参数，测试不同地质历 史时期盖层的脆塑性系数，达到动态恢复盖层在任意地质历史时期的脆塑性系 数的目的，从而为评价盖层有效性提供基础参数，为研究油气藏成藏与破坏过 程及机理提供参考与支撑，为寻找有利勘探区带提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种恢复石油与天然气盖层脆塑性演化史的方法，其通过恢复特定地质历 史时期盖层的温度及应力特征，以及由此导致的盖层塑性系数的变换，进而恢 复盖层的脆塑性系数在不同地质历史时期的动态演化情况，从而评价盖层的封 闭能力。

所述方法包括：

(1)、古应力恢复；

(2)、古温度恢复；

(3)、建立盖层塑性系数与应力场和温度场交汇关系；

(4)、盖层脆塑性演化恢复。

所述步骤(1)是这样实现的：

(11)获取含油气盆地及其外围地区构造应力场的数据，包括：

①充分利用已有的盆地地质资料和地球物理资料进行盆地构造分析，划分 不同的构造期，并确定各构造时期的古应力的方向；

②利用透射电镜下位错密度法和声发射法进行地质时期古应力值估算，利 用水压致裂法、钻孔崩落法及震源机制解确定现代构造古应力的大小；所述古 应力的方向和古应力的大小即为实测的构造应力数据；

③在三轴压力机上对盆地各构造期的代表性岩石物性参数进行测定；所述 参数包括岩石的密度、单轴抗压强度、弹性模量和泊松比；

(12)建立地质模型：通过对盆地和区域地质构造、发育历史进行系统的研 究和综合分析，建立二维地质模型或三维地质模型(以各时期断裂分布图作为 模型的基本框架，再加上各期地层的岩相界线分区构成模拟的地质模型，请参 考参考文献：邱登峰，郑孟林，张瑜，张仲培的“塔中地区构造应力场数值模 拟研究”.大地构造与成矿学.2012，36(2)：168-175)；

(13)用逐级逼近的有限元法进行反演的数值模拟；

以步骤(11)获得的实测的构造应力数据为约束条件，用有限单元法模拟 构造应力场进行数值；采用逐级逼近的方法，即通过对边界条件(边界条件指 数值模拟开始时设定的地质模型边界(通常为断层或者岩相边界)与围岩的接 触关系)及各种物理参数(指法向刚度Kn、切向刚度Kt、摩擦系数k及最大 允许穿透值gmax，请参见文献：邱登峰，郑孟林，张瑜，张仲培的“塔中地区 构造应力场数值模拟研究”.大地构造与成矿学.2012，36(2)：168-175)的多 次调试，使数值模拟结果逼近所述实测的构造应力数据，从而实现对整个含油 气盆地进行构造应力场数值模拟，获得不同时期盆地构造应力场平面分布图， 恢复地质历史时期盖层岩石收到的应力的大小及其方向，即古应力。

所述步骤(2)是这样实现的：

(21)收集镜质体反射率Ro、裂变径迹、氢指数的古温标数据；

(22)收集地层残余厚度并恢复不整合界面的地层剥蚀量；

(23)利用盆地模拟软件模拟地层埋藏史和地温史，得到研究区的古温度。

所述步骤(3)是这样实现的：

根据步骤(1)得到的古应力与步骤(2)得到的古温度，获得盖层岩石在 特定地质历史时期经历的应力和温度特征，以此为基础设定实验条件得到在不 同围压和温度条件下岩石塑性系数变化的交汇图版，具体如下：

(31)选择研究区盖层样品进行三轴应力岩石力学实验，设定不同温度和 不同围压条件；

(32)对盖层岩石样品进行多组三轴应力岩石力学实验，求取盖层的塑性 系数；

(33)将每组盖层在特定温度和围压下的三轴应力岩石力学实验获得的塑 性系数与其对应的温度和围压做交汇得到在不同围压和温度条件下岩石塑性系 数变化的交汇图版；

所述步骤(4)是这样实现的：

依据地质历史时期盖层所处的应力场和温度场条件，利用步骤(3)得到的 在不同围压和温度条件下岩石塑性系数变化的交汇图版，求取所述应力场和温 度场条件对应的塑性系数，即能够建立动态的盖层脆塑性系数演化曲线，从而 为评价盖层有效性提供基础数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：应用本发明提出的方法，可以将 现有某些特定领域内比较成熟的技术系统组合成一个盖层有效性评价系统，不 但能评价某个特定地质历史时期盖层的有效性，而且，可以与盆地的构造演化 和地层的升降历史相结合，动态评价某个地质历史阶段内盖层封闭能力的变化 特征。

附图说明

图1是本发明方法的步骤框图。

图2是不同围压和温度条件下岩石塑性系数变化的交汇图版。

图3是岩石的应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提出了一种恢复石油与天然气盖层脆塑性演化史的方法，该技术由 古应力恢复系统、古地温恢复系统、盖层塑性与温压场交汇图版及盖层脆塑性 恢复系统四部分组成，通过恢复特定地质历史时期盖层的温度及压力特征，以 及由此导致的盖层塑性系数的变换，进而恢复盖层的脆塑性系数在不同地质历 史时期的动态演化情况，从而评价盖层的封闭能力。该方法克服了以往研究中 盖层的封闭能力只能在某个特定的、孤立的地质历史时期进行，而不能横向进 行动态评价的弱点。本发明提出的4个子系统，都运用目前已经成熟的分析技 术进行开展，方法可靠，易于操作，具有良好的推广前景。

本发明利用目前国内外比较成熟的古应力恢复研究方法和技术(含油气盆 地中构造应力场研究的方法，本发明提出的方法，通过以下步骤实现：

1、古应力恢复

(1)多学科、多手段地获取含油气盆地及其外围地区构造应力场的有关数 据：①充分利用已有的盆地地质资料和地球物理资料，系统地进行盆地构造分 析，划分不同的构造期，并确定各构造时期的主应力方向；②利用透射电镜下 位错密度法和声发射法等进行地质时期古应力值估算，利用水压致裂法、钻孔 崩落法及震源机制解等确定现代构造应力的大小；③在三轴压力机上对盆地各 构造期的代表性岩石物性参数进行测定。

(2)建立地质模型。通过对盆地和区域地质构造、发育历史进行系统的研 究和综合分析，建立二维或三维地质模型。

(3)用逐级逼近的有限元法进行反演的数值模拟。

以上述各种实测构造应力数据为约束条件，用有限单元法对构造应力场进 行数值模拟，为了使数值模拟的结果有更充分的约束条件，采用逐级逼近的方 法，即通过对边界条件及各种物理参数的多次调试，使数值模拟结果逼近实测 的构造应力数据，从而实现对整个含油气盆地进行构造应力场数值模拟，获得 不同时期盆地构造应力场平面分布图(请参考张明利，万天丰的“含油气盆地构 造应力场研究新进展”，地球科学进展.1998，13(1)：38-43)，恢复地质历史时期 盖层岩石收到的应力的大小及其方向。

2、古温度恢复

利用现有的古地温恢复方法(盆地尺度的古地温一般采用各种古温标(如 Ro、裂变径迹、氢指数等)约束的盆地模拟方法(请参考胡圣标，张容燕，周礼成. 油气盆地热史恢复方法.勘探家.1998，3(4)：52-54)。常用的模拟软件有美国 PRA公司的BasinMod、德国IES公司的Petromod和法国石油研究院研发的 TemisFlow)，恢复任意地质历史时期的古地温场，得到盖层岩石此时经历的古 地温特征。具体如下：

(1)收集Ro、裂变径迹、氢指数的古温标数据；

(2)收集地层残余厚度并恢复不整合界面的地层剥蚀量(常用的方法有古 温标法、地层趋势法、古热流法等(请参考袁玉松，郑和荣，涂伟的“沉积盆地 剥蚀量恢复方法”.石油实验地质.2008，30(6)：636-642)；

(3)利用盆地模拟软件(常用的模拟软件有美国PRA公司的BasinMod、德 国IES公司的Petromod和法国石油研究院研发的TemisFlow)模拟地层埋臧史 和地温史，得到研究区的古地温数据。

3、建立盖层塑性系数与应力场和温度场交汇关系

根据古应力与古温度恢复系统得到的结果，得到盖层岩石在特定地质历史 时期经历的压力和温度特征，以此为基础设定实验条件，得到的盖层塑性系数 与应力场和温度场交汇关系用于盖层脆塑性演化系统中。具体如下：

选择研究区盖层样品进行三轴应力岩石力学实验，为模拟盖层在不同地质 历史时期演化过程中的塑性系数的变化情况，设定不同温度和不同围压条件(考 虑含油气盆地的勘探深度一般温度取0～200℃，围压取0～150MPa。对盖层岩石 样品进行多组三轴应力岩石力学实验，求取盖层的塑性系数，最后可以得到某 套岩层在不同围压和温度条件下岩石塑性系数变化的交汇图版(就是指图1中 的塑性系统与温压条件交汇系统103？对)(如图2所示)(每组在特定温度和围 压下的岩石力学实验都能获得相对应的塑性系数，三者之间交汇可以得到该图 版)，根据该图版可以求取任意温压条件下盖层塑性系数，即可以为动态评价该 套地层在任意地质历史时期的封闭能力提供直接数据。

根据三轴岩石力学实验的曲线求取塑性系数的具体方法请参见图3(图3给 出的就是三轴岩石力学实验的曲线)，具体如下：

式中：

K——岩石的塑性系数；

AF——岩石破碎前耗费的总功，相当于面积OABCO；

AE——弹性变形功，相当于面积OEDO。

(4)盖层脆塑性演化恢复

在古围压、古温度数据连续获得的基础上，利用岩石力学实验获得的塑性 系数与应力场和温度场的交汇图版，动态的连续恢复盖层在整个地质历史时期 的塑性系数演化曲线。具体如下：

在得到的盖层塑性系数与温度及压力关系图版(就是指步骤(3)得到的不 同围压和温度条件下岩石塑性系数变化的交汇图版)的基础上，依据地质历史 时期盖层所处的应力场和温度场条件，求取其塑性系数(就是将压力和温度对 应到图2中，找到其对应的塑性系数)，即可建立动态的盖层脆塑性系数演化曲 线(就是指图1中的盖层脆塑性演化恢复系统104)，从而为评价盖层有效性提 供基础数据。

应用本发明提出的方法，对四川盆地寒武系膏盐岩盖层的脆塑性演化历史 进行了恢复，并对不同地质历史时期盖层的封闭性进行了初步评价，评价结果 与油气勘探实践吻合较好。与传统研究方法相比，该技术因为有具体的岩石力 学参数做支撑，因此具有可靠性高的特点；同时，综合运用地质资料，使该技 术具有预测准确的特点，具有良好的推广前景。

应用本发明提出的方法，可以将现有某些特定领域内比较成熟的技术系统 组合成一个盖层有效性评价系统，不但能评价某个特定地质历史时期盖层的有 效性，而且，可以与盆地的构造演化和地层的升降历史相结合，动态评价某个 地质历史阶段内盖层封闭能力的变化特征。此项技术可以应用到含油气盆地盖 层评价中，预测其封闭性动态演化特点，同时具有操作方便和实用价值高等特 点，具有良好的推广前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是 优选的，而并不具有限制性的意义。