地質(zhì)過程定量模擬主講：趙永軍一盆地模擬的概念1國外開展簡史自1978年原西德尤利希公司建立了世界上第一個一維盆地模擬系統(tǒng)以來，世界各大石油公司和研究機(jī)構(gòu)相繼開展了盆地模擬方法研究和軟件研制工作。二十多年來，法國、美國、英國、日本等分別推出了規(guī)模不等、各具特色的盆地模擬系統(tǒng)?！?〕1978年原西德尤利希公司石油與有機(jī)地化研究所推出了基于正演地史的一維盆地模擬系統(tǒng)。其根本思路是：按壓實(shí)作用恢復(fù)埋藏史，對欠壓實(shí)地層計算其古超壓史，同時算出相應(yīng)的古厚度史，并獲得流體速度史；通過熱流方程獲得古地溫史；二盆地模擬開展簡史移法求流體壓力史和油聚集史、地球熱力學(xué)法求沿通道運(yùn)移的含溶解氣的油量等?！?〕1984年美國南卡羅拉那大學(xué)地球科學(xué)系也研制了一維盆地模擬系統(tǒng)，并提出了用鏡質(zhì)體反射率確定古熱流的方法，打破了以往單純使用地球熱力學(xué)法的傳統(tǒng)，之后又相繼提出了用其它幾種地化資料確定古熱流的方法，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍?！?〕1987年英國BP石油公司提出了一個關(guān)于油氣二次運(yùn)移聚集的二維模型。其特點(diǎn)是將烴類劃分為兩相，即含飽和水的“石油液〞和“石油氣〞，“石油液〞有含不同的成分；水動力和浮力的合成作為運(yùn)移的動力；考慮地下流體的不同相態(tài)，流體滲流符合達(dá)西定律；運(yùn)移損失量與通道孔隙體積有關(guān)?！?〕1988年日本石油勘探與美國南卡羅拉那大學(xué)合作，在原簡化模型根底上建立了一個較完整的二維盆地模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的烴類生成和運(yùn)移模型考慮了獨(dú)立的油相或氣相運(yùn)移、熱膨脹力、毛細(xì)管力、裂縫及斷層等?！?〕90年代是盆地模擬全面開展的時期。其特點(diǎn)是，各大石油公司不再集中大量人力、物力研制大型盆模軟件，而是轉(zhuǎn)向與大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)合作共同開發(fā)，或購置商品化軟件。軟件系統(tǒng)由早期的一維、剖面二維向平面二維和三維模型開展，盆地模擬在廣泛的實(shí)際應(yīng)用中得到不斷的開展和完善?？傊瑖H上前10年以一維模型為主，重點(diǎn)研究盆地三史，即地史、熱史、生烴史，多數(shù)處于試驗(yàn)性應(yīng)用階段；后10年以二維模型為主，研究的重點(diǎn)是盆地中油氣的排烴史和運(yùn)移聚集史，并全面進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段；目前正朝著三維模型、三相多組分運(yùn)移方向開展。在軟件的工業(yè)化應(yīng)用方面，目前在國際商品軟件市場上活潑的主要是三家盆地模擬軟件：①德國有機(jī)地化研究所〔IES〕的PetroMod，由剖面二維油氣系統(tǒng)分析軟件PetroFlow、平面二維油氣系統(tǒng)分析軟件Finesse和沉積作用分析軟件Sedpak三個相對獨(dú)立的系統(tǒng)組成。勝利油田與山東大學(xué)合作，采用算子分裂法求解三維模型，推出視三維盆地模擬系統(tǒng)〔SL3DBS〕；西北石油地質(zhì)所與物探局合作開發(fā)了“盆地綜合分析系統(tǒng)〞。一些院校如石油大學(xué)、南京大學(xué)、成都理工學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)、大慶石油學(xué)院等也在地質(zhì)模型和模擬方法方面作了大量卓有成效的工作，并建立了規(guī)模不等的盆地模擬系統(tǒng)，例如成都理工學(xué)院與杭州石油地質(zhì)研究所共同開發(fā)的“南方海相剩余盆地模擬系統(tǒng)〞，石油大學(xué)〔北京〕與大慶油田聯(lián)合研制了“盆地模擬與油氣評價系統(tǒng)〔BMPES〕〞。包括五類模型：地史模型熱史模型生烴史模型排烴史模型運(yùn)移聚集史模型盆地模擬根本模型各模型中又包含假設(shè)干子模型三盆地模擬的主要模型1地史模型功能：用于描述和重建盆地構(gòu)造演化史、沉降埋藏史和沉積發(fā)育史。地史模型的主要考慮因素：沉積壓實(shí)、地層超壓、剝蝕、沉積間斷、斷層等。由于斷層因素的復(fù)雜多樣性，在目前的地史模型中只考慮前四種因素。地史模型是盆地模擬的一個根底模型，其可靠程度直接影響到其它模型的運(yùn)算精度。模擬的方法：正演法和反演法。正演方法：從古到今的方法。根據(jù)地層的現(xiàn)今厚度及孔隙度等資料，恢復(fù)地層的古沉積厚度，后按給定的模型模擬地層從古到今的厚度變化情況。期間可綜合考慮地層剝蝕、沉積間斷等地質(zhì)事件。該方法的最大缺點(diǎn)是需要不斷調(diào)整古地質(zhì)參數(shù)，以使模擬結(jié)果與現(xiàn)今的地質(zhì)資料吻合。123n111123n223時間原始厚度壓實(shí)實(shí)際厚度模擬厚度沉積發(fā)育史正演模擬示意圖2熱史模型功能：描述和重建含油氣盆地古熱流史和古地溫史，進(jìn)而重建有機(jī)質(zhì)的熱成熟史。該模型是盆地模擬的關(guān)鍵模型之一。熱史模型是盆地模擬中的關(guān)鍵模型，它直接影響到生油層生烴史和排烴史模擬的精度，該模型主要考慮因素：熱對流、熱傳導(dǎo)、基底古大地?zé)崃髦怠⒖紫抖?、鏡煤反射率及其它地化資料等。建立方法：地球熱力學(xué)方法、地球熱力學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合的方法。地球熱力學(xué)方法：根據(jù)盆地現(xiàn)今的大地?zé)崃髦导捌潆S地質(zhì)時間的變化，沉積物、孔隙流體和巖石的熱導(dǎo)率以及孔隙度隨埋深的變化等，來恢復(fù)盆地的古熱流史和溫度史。地球熱力學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合的方法：根本思路和上述一致，但確定古大地?zé)崃髦禃r使用地球熱力學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合的方法，被認(rèn)為是更精確的。一般，熱史模型主要包括的子模型有：溫度史模型〔地層溫度史〕模型古熱流史模型〔古大地?zé)崃魇贰衬Ｐ?生烴史模型功能：描述和重建含油氣盆地?zé)N類成熟史和生烴量史。生烴史模型是盆地模擬中的重要模型，其計算結(jié)果反映了盆地的生烴能力，并直接影響到排烴史模擬的計算精度。生烴史模型的根底是傳統(tǒng)的體積法模型，在此根底上可能演變成計算結(jié)果更精確合理的其他形式。生烴史根本模型：或該模型的關(guān)鍵在于產(chǎn)烴率史的計算，求解產(chǎn)烴率史常用兩種方法：Ro－產(chǎn)烴率關(guān)系曲線法(圖版法)和化學(xué)動力學(xué)法。Ro－產(chǎn)烴率關(guān)系曲線法(圖版法)：在溫度史研究的根底上，求出生油巖的Ro史，再根據(jù)干酪根熱模擬實(shí)驗(yàn)得出的Ro－產(chǎn)烴率關(guān)系曲線，求出生油層的產(chǎn)烴率史，最終求出生油層的生油量史。化學(xué)動力學(xué)法：Tissot等人研究證實(shí)，干酪根的熱降解生油過程遵循化學(xué)動力學(xué)一級反響定律,干酪根由六類不同鍵合物質(zhì)組成，每類鍵合物質(zhì)生烴潛力不同，它們按不同的速率降解生油。結(jié)合溫史研究，利用Tissot模型求出各類鍵合物質(zhì)各時期的剩余量，進(jìn)而求出降解量，最后求出產(chǎn)烴率。由此計算生油層的生油量史。綜上，生烴史模型應(yīng)該包括以下根本模型：體積法模型；產(chǎn)烴率史模型；成熟度史〔Ro史〕模型；生烴史模型最終的結(jié)果是求出各生油層各時期的生油量、生氣量?？偟恼f，生烴模型的研究目前較為成熟。4排烴史模型功能：描述和重建盆地油氣自源巖向運(yùn)載層排出的初次排烴過程?！渤醮芜\(yùn)移史〕排烴史模型也是盆地模擬中的重要模型，它反映了生油層的排烴能力。目前已建立了壓實(shí)模型、壓差模型以及滲流力學(xué)模型等，同時建立了不同相態(tài)的排烴模型。目前排烴史模型根本上是成功的，但由于對排烴機(jī)理尚有許多未知的因素，因此尚待繼續(xù)完善。現(xiàn)在流行的初次運(yùn)移的主要機(jī)理有：烴類與水呈固有相態(tài)運(yùn)移、水溶液運(yùn)移、擴(kuò)散運(yùn)移、烴溶于氣中運(yùn)移等。研究排烴史模型的方法主要有：壓實(shí)法〔排油〕模型～沉積壓實(shí)排烴壓差法〔排油〕模型～泥－砂巖之間的壓差排烴滲流力學(xué)法〔油、氣、水〕模型～達(dá)西定律和超壓微裂縫排烴法〔深層及碳酸巖〕物質(zhì)平衡法〔排氣〕5運(yùn)移聚集史模型功能：描述和重建含油氣盆地的油氣二次運(yùn)移史和聚集史。目前運(yùn)聚史模擬的主要方法：二維二相滲流力學(xué)〔垂直剖面、油氣或氣水〕二維三相滲流力學(xué)〔垂直剖面、油氣水共存〕三維三相滲流力學(xué)〔立體空間、油氣水共存〕流體勢分析法〔古構(gòu)造及地下流體環(huán)境比較清楚〕算子分裂法〔視三維模型〕系統(tǒng)模塊模擬的功能模擬的方法適用性地史沉降史埋藏史構(gòu)造演化史回剝技術(shù)正常壓實(shí)帶超壓技術(shù)欠壓實(shí)帶回剝和超壓相結(jié)合正常壓實(shí)帶和欠壓實(shí)帶平衡地質(zhì)剖面剖面上變形守恒熱史熱流史地溫史地球化學(xué)法勘探程度較高地區(qū)地球熱力學(xué)法可靠性較低地球熱力學(xué)地球化學(xué)結(jié)合法可靠性較高生烴史烴類成熟度史生烴量史TTI-Ro法勘探程度較高地區(qū)EasyRo法適用較廣化學(xué)動力學(xué)法適用較廣排烴史排烴量史排烴方向史壓實(shí)法孔隙度變化正常的情況(排油)壓差法孔隙度變化異常的情況(排油)滲流力學(xué)法排油、排氣、排水微裂縫排烴法深層及碳酸巖物質(zhì)平衡法排氣運(yùn)移聚集史油氣運(yùn)移史油氣聚集史二維二相滲流力學(xué)垂直剖面、油氣或氣水二維三相滲流力學(xué)垂直剖面、油氣水共存三維三相滲流力學(xué)立體空間、油氣水共存擬三維二相歷史模擬平面油、氣流體勢分析法古構(gòu)造及地下流體環(huán)境清楚算子分裂法視三維模型盆地模擬系統(tǒng)各模塊的功能及主要模擬方法表盆地模擬流程〔一維正演〕1、在概念模型的根底上建立合理的數(shù)學(xué)模型；2、模擬網(wǎng)格的劃分；3、原始資料及模擬參數(shù)的輸入；4、模擬運(yùn)算(從古到今)；5、模擬結(jié)果的檢驗(yàn)；6、模擬結(jié)果的輸出(數(shù)據(jù)、圖件、磁盤文件)；7、研究盆地的地史、溫度史、生烴史、排烴史及運(yùn)移聚集史；塔里木盆地構(gòu)造演化模擬橫切面例如模擬結(jié)果輸出輸出數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)的地層等厚圖數(shù)據(jù)、孔隙度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、鏡煤反射率數(shù)據(jù)、產(chǎn)烴率數(shù)據(jù)、生油強(qiáng)度及生油量數(shù)據(jù)、排烴強(qiáng)度及排烴量數(shù)據(jù)、排水強(qiáng)度及排水量數(shù)據(jù)、排液強(qiáng)度及排液量數(shù)據(jù)、異常壓力分布數(shù)據(jù)等。輸出圖件主要包括模擬平面網(wǎng)格圖、各地層各時期的地層等厚圖、沉積速率等值圖、地層底界埋深等值線圖、盆地發(fā)育剖面圖、單井埋藏史曲線圖、古地溫等值線圖、有機(jī)質(zhì)成熟度圖、產(chǎn)烴率分布圖、生油強(qiáng)度(單位面積生油量)等值線圖、生油剖面圖、排烴強(qiáng)度等值線圖、異常壓力分布圖、油氣運(yùn)移方向矢量圖、運(yùn)移速度圖、運(yùn)移流線圖、有利地帶綜合評價圖及各種生油層生、排烴量直方圖、餅圖等統(tǒng)計圖形。盆模難度源于油氣地質(zhì)學(xué)的以下幾個根本特點(diǎn)：①

地質(zhì)體自身的不可入性。它決定了人們對地下信息的認(rèn)識只能來自于地面地球物理調(diào)查及實(shí)際鉆探，而后者又受到設(shè)備自身及其它地質(zhì)因素的影響。②巖石圈結(jié)構(gòu)、組成、巖石物性的非均一性，以及構(gòu)造變形的復(fù)雜性。這些特點(diǎn)導(dǎo)致地質(zhì)演變過程模擬反演的多解性。③

流體礦產(chǎn)的流動性。油氣是存在于地下的流體礦產(chǎn)，其最大特性是運(yùn)移、流動，同時其流動軌跡受構(gòu)造、地質(zhì)、地下水活動、溫-壓等多種因素的影響。④

油氣運(yùn)移的多相性。油氣是同地下水一起流動的，一般情況下是混相驅(qū)動，在盆地演化及油氣生成的不同階段又分別有不同的相態(tài)和組份特征。⑤

地質(zhì)時間跨度長。油氣賦存的盆地年齡大都在幾十到幾百個百萬年〔Ma〕以上，最年輕的盆地也在2個Ma以上。這么長的時間跨度，對于數(shù)值模擬的時間步長確定，必然帶來精度上的困難。⑥時空上變化的“動態(tài)〞邊界。盆地的邊界和充填物是隨著地質(zhì)時間不斷變化的，而且這種變化通常都不是完全滿足常規(guī)幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)原理的。這一特點(diǎn)造成地下油氣滲流的地質(zhì)環(huán)境和邊界條件十分復(fù)雜多變，并導(dǎo)致數(shù)值方程的求解十分困難。需要解決以下幾個難題：①盆地動力學(xué)模型與油氣成藏動力學(xué)模型的有機(jī)統(tǒng)一盆地動力學(xué)過程和油氣成藏動力學(xué)過程是含油氣盆地動力學(xué)有機(jī)聯(lián)系的兩個過程和不可分割的整體。油氣的形成和聚集只是盆地成礦作用的一種類型。成藏作用過程嚴(yán)格受控于沉積盆地開展演化的深部過程、動力學(xué)背景及其開展演化階段。從含油氣盆地的類型與油氣分布的關(guān)系看，不同成因類型的盆地往往有不同的成礦作用特征。具體表現(xiàn)在盆地基底性質(zhì)及變形特征、熱體制及其演變、構(gòu)造樣式、成藏模式及油氣分布規(guī)律等方面的差異。因此，必須以盆地動力學(xué)研究為根底，按照不同類型的盆地來建立油氣盆地地質(zhì)模型及數(shù)學(xué)模型。②三維地質(zhì)體動態(tài)平衡模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型建立這是未來10年盆地數(shù)值模擬的主攻方向之一。目前已經(jīng)建立的二維平衡地質(zhì)剖面演化模型，由于約束條件是剖面上變形平衡，即剖面上沒有物質(zhì)的流入或流出，因此，只能模擬個別包含簡單的擠壓或拉張構(gòu)造作用的剖面構(gòu)造演化。而真實(shí)系統(tǒng)的盆地動力學(xué)過程往往是包含剪切構(gòu)造作用的復(fù)雜變形過程，其變形是在三維空間上守衡的，因此必須建立三維空間上的平衡地質(zhì)模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。其中難點(diǎn)的核心還是數(shù)學(xué)模型的建立。③盆地古水動力學(xué)過程的數(shù)值模擬盆地中的地下水是油氣運(yùn)移、聚集的載體，地下水的運(yùn)動嚴(yán)重地制約著油氣的聚集與分布?？碧綄?shí)踐說明，盆地中大中型油氣藏的形成與分布與區(qū)域水動力條件(水化學(xué)場、水滲流場、水溫度場)有密切的關(guān)系。因此對于油氣運(yùn)聚過程的模擬來說，古水動力場特征及演化研究與模擬至關(guān)重要。目前盆地模擬主要以一維、二維為主，對垂向上的壓實(shí)水流及其浮力作用考慮較多，而對大氣滲入水流及其重力作用考慮不夠，因此適用性受到限制。難點(diǎn)主要是古水動力場確實(shí)定及數(shù)值模擬。其研究內(nèi)容涉及古地貌、古氣候、古構(gòu)造、古水文等多學(xué)科知識。④成藏動力學(xué)各模型的全三維化最重要的是地史模型的三維化，它影響到其它各模型的精度。在此根底上實(shí)現(xiàn)熱史、生烴史、排烴史及運(yùn)聚史模型的三維一體化。其中牽及到一些尚未攻克的石油地質(zhì)機(jī)理問題，如碳酸鹽巖的成烴機(jī)理、較完善的油氣運(yùn)聚機(jī)理等。在地