地质过程定量模拟（盆地数值模拟技术）-第一章绪论

地质过程定量模拟主讲：赵永军一盆地模拟的概念1国外开展简史自1978年原西德尤利希公司建立了世界上第一个一维盆地模拟系统以来，世界各大石油公司和研究机构相继开展了盆地模拟方法研究和软件研制工作。二十多年来，法国、美国、英国、日本等分别推出了规模不等、各具特色的盆地模拟系统。〔1〕1978年原西德尤利希公司石油与有机地化研究所推出了基于正演地史的一维盆地模拟系统。其根本思路是：按压实作用恢复埋藏史，对欠压实地层计算其古超压史，同时算出相应的古厚度史，并获得流体速度史；通过热流方程获得古地温史；二盆地模拟开展简史移法求流体压力史和油聚集史、地球热力学法求沿通道运移的含溶解气的油量等。〔4〕1984年美国南卡罗拉那大学地球科学系也研制了一维盆地模拟系统，并提出了用镜质体反射率确定古热流的方法，打破了以往单纯使用地球热力学法的传统，之后又相继提出了用其它几种地化资料确定古热流的方法，扩大了其应用范围。〔5〕1987年英国BP石油公司提出了一个关于油气二次运移聚集的二维模型。其特点是将烃类划分为两相，即含饱和水的“石油液〞和“石油气〞，“石油液〞有含不同的成分；水动力和浮力的合成作为运移的动力；考虑地下流体的不同相态，流体渗流符合达西定律；运移损失量与通道孔隙体积有关。〔6〕1988年日本石油勘探与美国南卡罗拉那大学合作，在原简化模型根底上建立了一个较完整的二维盆地模拟系统。该系统的烃类生成和运移模型考虑了独立的油相或气相运移、热膨胀力、毛细管力、裂缝及断层等。〔7〕90年代是盆地模拟全面开展的时期。其特点是，各大石油公司不再集中大量人力、物力研制大型盆模软件，而是转向与大学及科研机构合作共同开发，或购置商品化软件。软件系统由早期的一维、剖面二维向平面二维和三维模型开展，盆地模拟在广泛的实际应用中得到不断的开展和完善。总之，国际上前10年以一维模型为主，重点研究盆地三史，即地史、热史、生烃史，多数处于试验性应用阶段；后10年以二维模型为主，研究的重点是盆地中油气的排烃史和运移聚集史，并全面进入实际应用阶段；目前正朝着三维模型、三相多组分运移方向开展。在软件的工业化应用方面，目前在国际商品软件市场上活泼的主要是三家盆地模拟软件：①德国有机地化研究所〔IES〕的PetroMod，由剖面二维油气系统分析软件PetroFlow、平面二维油气系统分析软件Finesse和沉积作用分析软件Sedpak三个相对独立的系统组成。胜利油田与山东大学合作，采用算子分裂法求解三维模型，推出视三维盆地模拟系统〔SL3DBS〕；西北石油地质所与物探局合作开发了“盆地综合分析系统〞。一些院校如石油大学、南京大学、成都理工学院、中国地质大学、大庆石油学院等也在地质模型和模拟方法方面作了大量卓有成效的工作，并建立了规模不等的盆地模拟系统，例如成都理工学院与杭州石油地质研究所共同开发的“南方海相剩余盆地模拟系统〞，石油大学〔北京〕与大庆油田联合研制了“盆地模拟与油气评价系统〔BMPES〕〞。包括五类模型：地史模型热史模型生烃史模型排烃史模型运移聚集史模型盆地模拟根本模型各模型中又包含假设干子模型三盆地模拟的主要模型1地史模型功能：用于描述和重建盆地构造演化史、沉降埋藏史和沉积发育史。地史模型的主要考虑因素：沉积压实、地层超压、剥蚀、沉积间断、断层等。由于断层因素的复杂多样性，在目前的地史模型中只考虑前四种因素。地史模型是盆地模拟的一个根底模型，其可靠程度直接影响到其它模型的运算精度。模拟的方法：正演法和反演法。正演方法：从古到今的方法。根据地层的现今厚度及孔隙度等资料，恢复地层的古沉积厚度，后按给定的模型模拟地层从古到今的厚度变化情况。期间可综合考虑地层剥蚀、沉积间断等地质事件。该方法的最大缺点是需要不断调整古地质参数，以使模拟结果与现今的地质资料吻合。123n111123n223时间原始厚度压实实际厚度模拟厚度沉积发育史正演模拟示意图2热史模型功能：描述和重建含油气盆地古热流史和古地温史，进而重建有机质的热成熟史。该模型是盆地模拟的关键模型之一。热史模型是盆地模拟中的关键模型，它直接影响到生油层生烃史和排烃史模拟的精度，该模型主要考虑因素：热对流、热传导、基底古大地热流值、孔隙度、镜煤反射率及其它地化资料等。建立方法：地球热力学方法、地球热力学与地球化学结合的方法。地球热力学方法：根据盆地现今的大地热流值及其随地质时间的变化，沉积物、孔隙流体和岩石的热导率以及孔隙度随埋深的变化等，来恢复盆地的古热流史和温度史。地球热力学与地球化学结合的方法：根本思路和上述一致，但确定古大地热流值时使用地球热力学与地球化学结合的方法，被认为是更精确的。一般，热史模型主要包括的子模型有：温度史模型〔地层温度史〕模型古热流史模型〔古大地热流史〕模型3生烃史模型功能：描述和重建含油气盆地烃类成熟史和生烃量史。生烃史模型是盆地模拟中的重要模型，其计算结果反映了盆地的生烃能力，并直接影响到排烃史模拟的计算精度。生烃史模型的根底是传统的体积法模型，在此根底上可能演变成计算结果更精确合理的其他形式。生烃史根本模型：或该模型的关键在于产烃率史的计算，求解产烃率史常用两种方法：Ro－产烃率关系曲线法(图版法)和化学动力学法。Ro－产烃率关系曲线法(图版法)：在温度史研究的根底上，求出生油岩的Ro史，再根据干酪根热模拟实验得出的Ro－产烃率关系曲线，求出生油层的产烃率史，最终求出生油层的生油量史。化学动力学法：Tissot等人研究证实，干酪根的热降解生油过程遵循化学动力学一级反响定律,干酪根由六类不同键合物质组成，每类键合物质生烃潜力不同，它们按不同的速率降解生油。结合温史研究，利用Tissot模型求出各类键合物质各时期的剩余量，进而求出降解量，最后求出产烃率。由此计算生油层的生油量史。综上，生烃史模型应该包括以下根本模型：体积法模型；产烃率史模型；成熟度史〔Ro史〕模型；生烃史模型最终的结果是求出各生油层各时期的生油量、生气量。总的说，生烃模型的研究目前较为成熟。4排烃史模型功能：描述和重建盆地油气自源岩向运载层排出的初次排烃过程。〔初次运移史〕排烃史模型也是盆地模拟中的重要模型，它反映了生油层的排烃能力。目前已建立了压实模型、压差模型以及渗流力学模型等，同时建立了不同相态的排烃模型。目前排烃史模型根本上是成功的，但由于对排烃机理尚有许多未知的因素，因此尚待继续完善。现在流行的初次运移的主要机理有：烃类与水呈固有相态运移、水溶液运移、扩散运移、烃溶于气中运移等。研究排烃史模型的方法主要有：压实法〔排油〕模型～沉积压实排烃压差法〔排油〕模型～泥－砂岩之间的压差排烃渗流力学法〔油、气、水〕模型～达西定律和超压微裂缝排烃法〔深层及碳酸岩〕物质平衡法〔排气〕5运移聚集史模型功能：描述和重建含油气盆地的油气二次运移史和聚集史。目前运聚史模拟的主要方法：二维二相渗流力学〔垂直剖面、油气或气水〕二维三相渗流力学〔垂直剖面、油气水共存〕三维三相渗流力学〔立体空间、油气水共存〕流体势分析法〔古构造及地下流体环境比较清楚〕算子分裂法〔视三维模型〕系统模块模拟的功能模拟的方法适用性地史沉降史埋藏史构造演化史回剥技术正常压实带超压技术欠压实带回剥和超压相结合正常压实带和欠压实带平衡地质剖面剖面上变形守恒热史热流史地温史地球化学法勘探程度较高地区地球热力学法可靠性较低地球热力学地球化学结合法可靠性较高生烃史烃类成熟度史生烃量史TTI-Ro法勘探程度较高地区EasyRo法适用较广化学动力学法适用较广排烃史排烃量史排烃方向史压实法孔隙度变化正常的情况(排油)压差法孔隙度变化异常的情况(排油)渗流力学法排油、排气、排水微裂缝排烃法深层及碳酸岩物质平衡法排气运移聚集史油气运移史油气聚集史二维二相渗流力学垂直剖面、油气或气水二维三相渗流力学垂直剖面、油气水共存三维三相渗流力学立体空间、油气水共存拟三维二相历史模拟平面油、气流体势分析法古构造及地下流体环境清楚算子分裂法视三维模型盆地模拟系统各模块的功能及主要模拟方法表盆地模拟流程〔一维正演〕1、在概念模型的根底上建立合理的数学模型；2、模拟网格的划分；3、原始资料及模拟参数的输入；4、模拟运算(从古到今)；5、模拟结果的检验；6、模拟结果的输出(数据、图件、磁盘文件)；7、研究盆地的地史、温度史、生烃史、排烃史及运移聚集史；塔里木盆地构造演化模拟横切面例如模拟结果输出输出数据主要包括系统的地层等厚图数据、孔隙度数据、温度数据、镜煤反射率数据、产烃率数据、生油强度及生油量数据、排烃强度及排烃量数据、排水强度及排水量数据、排液强度及排液量数据、异常压力分布数据等。输出图件主要包括模拟平面网格图、各地层各时期的地层等厚图、沉积速率等值图、地层底界埋深等值线图、盆地发育剖面图、单井埋藏史曲线图、古地温等值线图、有机质成熟度图、产烃率分布图、生油强度(单位面积生油量)等值线图、生油剖面图、排烃强度等值线图、异常压力分布图、油气运移方向矢量图、运移速度图、运移流线图、有利地带综合评价图及各种生油层生、排烃量直方图、饼图等统计图形。盆模难度源于油气地质学的以下几个根本特点：①

地质体自身的不可入性。它决定了人们对地下信息的认识只能来自于地面地球物理调查及实际钻探，而后者又受到设备自身及其它地质因素的影响。②岩石圈结构、组成、岩石物性的非均一性，以及构造变形的复杂性。这些特点导致地质演变过程模拟反演的多解性。③

流体矿产的流动性。油气是存在于地下的流体矿产，其最大特性是运移、流动，同时其流动轨迹受构造、地质、地下水活动、温-压等多种因素的影响。④

油气运移的多相性。油气是同地下水一起流动的，一般情况下是混相驱动，在盆地演化及油气生成的不同阶段又分别有不同的相态和组份特征。⑤

地质时间跨度长。油气赋存的盆地年龄大都在几十到几百个百万年〔Ma〕以上，最年轻的盆地也在2个Ma以上。这么长的时间跨度，对于数值模拟的时间步长确定，必然带来精度上的困难。⑥时空上变化的“动态〞边界。盆地的边界和充填物是随着地质时间不断变化的，而且这种变化通常都不是完全满足常规几何学、运动学原理的。这一特点造成地下油气渗流的地质环境和边界条件十分复杂多变，并导致数值方程的求解十分困难。需要解决以下几个难题：①盆地动力学模型与油气成藏动力学模型的有机统一盆地动力学过程和油气成藏动力学过程是含油气盆地动力学有机联系的两个过程和不可分割的整体。油气的形成和聚集只是盆地成矿作用的一种类型。成藏作用过程严格受控于沉积盆地开展演化的深部过程、动力学背景及其开展演化阶段。从含油气盆地的类型与油气分布的关系看，不同成因类型的盆地往往有不同的成矿作用特征。具体表现在盆地基底性质及变形特征、热体制及其演变、构造样式、成藏模式及油气分布规律等方面的差异。因此，必须以盆地动力学研究为根底，按照不同类型的盆地来建立油气盆地地质模型及数学模型。②三维地质体动态平衡模型及相应的数学模型建立这是未来10年盆地数值模拟的主攻方向之一。目前已经建立的二维平衡地质剖面演化模型，由于约束条件是剖面上变形平衡，即剖面上没有物质的流入或流出，因此，只能模拟个别包含简单的挤压或拉张构造作用的剖面构造演化。而真实系统的盆地动力学过程往往是包含剪切构造作用的复杂变形过程，其变形是在三维空间上守衡的，因此必须建立三维空间上的平衡地质模型及相应的数学模型。其中难点的核心还是数学模型的建立。③盆地古水动力学过程的数值模拟盆地中的地下水是油气运移、聚集的载体，地下水的运动严重地制约着油气的聚集与分布。勘探实践说明，盆地中大中型油气藏的形成与分布与区域水动力条件(水化学场、水渗流场、水温度场)有密切的关系。因此对于油气运聚过程的模拟来说，古水动力场特征及演化研究与模拟至关重要。目前盆地模拟主要以一维、二维为主，对垂向上的压实水流及其浮力作用考虑较多，而对大气渗入水流及其重力作用考虑不够，因此适用性受到限制。难点主要是古水动力场确实定及数值模拟。其研究内容涉及古地貌、古气候、古构造、古水文等多学科知识。④成藏动力学各模型的全三维化最重要的是地史模型的三维化，它影响到其它各模型的精度。在此根底上实现热史、生烃史、排烃史及运聚史模型的三维一体化。其中牵及到一些尚未攻克的石油地质机理问题，如碳酸盐岩的成烃机理、较完善的油气运聚机理等。在地