盆地模拟技术30年回顾与展望

编者按　石广仁先生是我国石油勘探开发I T 界德高望重资深专家,在国际学术界享有声誉,值牛年新春,我们首发此文,深感荣幸,该文有以下三点新意:(1)此文首次对盆地模拟技术的现状、最新技术、技术目标定位、改进方案及今后技术研发方向进行评述。

(2)在文章中提到的一些新技术是近年来作者的个人研究成果,都是达到国际先进水平,有的还是国际领先水平。

例如,在国际权威杂志《Mathe matical Geol ogy 》2006年第1期上刊载了对作者盆地模拟英文书(见参考文献[4])的书评,表示该书获得了国际数学地质界的认可;国际权威杂志《Mathe matical Geosciences 》2008年第1期上刊登了作者盆地模拟文章(见参考文献[23])。

(注:《Mathe matical Geol ogy 》期刊从2008年开始改名为《Mathe matical Geosciences 》)。

(3)与本文有关的参考文献精心选择了31篇(这是支持本稿内容所必需的),有益于盆地模拟技术的研发及应用。

盆地模拟技术30年回顾与展望石广仁(中国石油勘探开发研究院　北京100083)摘　要　自1978年世界上第一个一维盆地模拟系统建立以来,已30周年。

本文首先概述盆地模拟技术的现状,指出盆地模拟的主要最新技术。

然后,根据实际应用效果对盆地模拟的目标进行定位,认为盆地模拟基本上起到区带评价的作用,尚未起到圈闭评价的作用。

最后,针对盆地模拟技术当前存在的主要问题,提出了改进方案,作为今后技术研发的方向。

关键词　盆地模拟;地史;热史;成岩史;生烃史;排烃史;运聚史;风险分析0引　言由于石油地质学的多学科性和复杂性,该领域基本上尚处于定性或局部定量的阶段。

盆地模拟技术基于物理化学的地质机理,在时空概念下由计算机定量地模拟油气盆地的形成和演化,烃类的生成、运移和聚集,故能直接揭示盆地油气规律本质。

1978年世界上出现了第一个一维盆地模拟系统[1],上世纪80年代先后出现了二维盆地模拟系统[2,3],90年代开始了三维盆地模拟系统的研发。

盆地模拟技术虽已有30年的发展历史,但仍是当今世界石油勘探大力发展的技术,也是石油地质定量化研究的热门手段,被认为是油气勘探七大关键技术的第2个技术(据中国科学技术信息研究所,2007年7月24日)。

实际上,盆地模拟不仅仅是油气资源评价的工具,更重要的是已成为油气地质勘探日常地质分析的必备技术。

本文首先概述盆地模拟技术现状,然后提出该技术的定位及改进。

1盆地模拟技术现状目前作为一个完整的盆地模拟系统是由如下6个模型有机组成:地史模型,热史模型,成岩史模型,生烃史模型,排烃史模型(初次运移),烃类运聚史模型(二次运移)[4]。

一般地说,判断一个盆地模拟系统的优劣可从如下五个方面考虑:①输入参数的种类和数量尽可能多;②模型数目齐全,即一维系统应由上述前五个模型组成,二维和三维系统应由上述六个模型组成;③各模型的方法正确,技术先进;④输出图件的种类齐全,精确实用;⑤具有参数敏感性与风险分析的功能。

实际应用时,各模型所采用的维数应取决于勘探程度:在高勘探程度阶段(即有较多的井和地震复盖),宜用三维模拟;在中等勘探程度阶段(即有较少的井和地震复盖),宜用二维模拟;在低勘探程度阶段(即仅有很少的井),宜用一维模拟。

笔者总结了盆地模拟主要技术的最新成果(见表1)。

1.1地史模型地史模型是盆地模拟的基础,应考虑沉积间断、沉积压实、欠压实(超压)、单层剥蚀、多层连续剥蚀、断层及古水深等地质现象,其精度直接影响后面五个模型的精度。

采用的模拟方法可分为三种(表1):超压技术(适用于欠压实带);回剥技术(适用于正常压实带);回剥与超压相结合的技术(适用于正常压实带和欠压实带)。

3石油工业计算机应用　总第61期　2009年第1期作者简介石广仁(1940-),男,教授级高级工程师、博士生导师,主要从事地学定量(含盆地模拟)研究。

表1　盆地模拟的主要最新技术1.2热史模型热史模型是盆地模拟的关键,因为地温史是烃类成熟度的最重要客观因素。

采用的模拟方法可分为两种(表1):地球热力学法(若不以地化资料为约束条件,可靠性较差);地球热力学与地球化学相结合的方法(可靠性较好)。

1.3成岩史模型在地史模型和热史模型计算结果的基础上,可以进行成岩史的模拟计算(表1):方解石胶结、伊利石充填、石英次生加大。

它们都会引起岩性的变化,造成次生孔隙,影响孔隙发育史。

1.4生烃史模型生烃史模型是盆地模拟相当重要的部分,因为生烃量史是油气资源评价的一部分。

烃类成熟度的表达有:干酪根降解率;TTI ;R o ;甾烷、霍烷的异构化指数(不能据此计算生烃量)。

采用的模拟方法可分为三种(表1):TTI -R o 法,适用于高勘探程度阶段;化学动力学法(有油气二相、组分两类),适用于中等勘探程度阶段;Easy R o 法,适用于低勘探程度阶段。

1.5排烃史模型排烃史(又称油气初次运移史)模型是盆地模拟非常重要的部分,因为排烃量史和排烃方向史是油气资源评价的一部分,其精度又直接影响后面运聚史模型的精度。

国外主要采用Pepper -Corvi 模型[5],国内主要采用压实渗流法求排油、物质平衡法求排气(表1)。

1.6烃类运聚史模型运聚史(又称油气二次运移史)模型是盆地模拟的最重要部分,因为油气运聚量史是油气资源评价的最重要部分,因为石油地质家虽然关心前五个史,但更注意运聚史的结果,以便确定油气聚集的位置及其数量,进而预测出有利勘探地带(初级目标)、有利钻探位置(高级目标)。

自上世纪80年代以来,该模型总体上来说取得了长足的进步,形成了4种运聚定量模拟技术(表1):多相达西流法[2,3,6-11],流径法[fl o wpath,译为流径法,以示与油藏模拟的类似技术strea m line (译为流线法)之区别][7,11-14],混合法[7,11,14]及侵入逾渗法[7,11,15-19]。

多相达西流法在上述4种技术中是技术最复杂也是采用最早的方法,被称之谓“全物理方法”,因为它考虑了各种力(浮力、毛细管力和粘滞力)的总和与平衡,描述油、气、水的“烃源→圈闭”的运动;又曾被誉为“主力技术”。

流径法是继多相达西流法之后的第2个方法,实际应用较广。

该技术类似于油藏模拟的流线法,但两者的模拟条件不同。

混合法是第3个方法,实际应用稍晚。

侵入逾渗法是第4个方法,实际应用较晚。

2盆地模拟技术的定位及改进由于上述每模型自身的诸多简化假设、输入数据的不确定性,故:(1)在低勘探程度阶段,不能进行二次运移模拟;(2)在中等勘探程度阶段,起到区带评价的作用;(3)在高勘探程度阶段,基本上还是起到区带评价的作用,只在局部可能起到圈闭评价的作用。

由此可见,盆地模拟技术真正成为油气系统[20]或油气成藏动力学[21](烃源→圈闭)的定量手段尚需相当长时间的努力。

这是笔者对盆地模拟技术的目标定位。

下面对现有的盆地模拟技术提出改进意见。

总体而言,为了提升盆地模拟系统的整体水平及改善模拟结果精度,①必须提高模型维数:目前大多数盆地模拟系统来说,没有实现真3-D 模拟,这是由于地史模型是1-D (单井模拟),故上述前5个模型实质上为1-D,第6个模型为2-D 、假3-D;②必须提高地质建模精细度:在允许的数据条件下,将地质建模单位由地层(f or mati on )改为小层(layer )。

2.1地史模型目前沉积史和构造史模拟精度较低,不适应面临越来越复杂多变的石油勘探地质条件(尤其是国内),其原因是:除了上述的模型维数、地质建模精细度外,三种模拟技术(表1)都是建立在垂直沉降假设的基础上。

若要打破这一假设,还应采用平衡剖面技术4Co m pu ter Applica tions of Petroleum 2009,T otal 61No .1(适用于盆地的拉张或挤压)。

鉴于世界上极大多数盆地模拟系统的超压史尚未达到实用水平,主要表现在超压史的模拟结果现今值在井的多数深度上(尤其是低孔高超压地带)明显地偏离实测数据[22],影响后续的排烃史和运聚史的模拟结果。

所以推荐采用新的超压史模拟技术[23]。

2.2热史模型无论何种方法(表1),都应以地化资料(如镜质组反射率Ro、磷灰石裂变径迹、甾烷、霍烷、芳香烃、旋光、花粉、A r39/A r40等)为约束条件对模拟结果进行校准[24,25]。

2.3成岩史模型化学动力学模型研发较早,比较成熟;溶解沉淀模型研发较晚,虽较前者简便,但尚需不断改进[26]。

国内多数软件没有成岩史模拟功能,影响岩性发育史和沉积史的模拟结果。

无论何种方法(表1),都应以地化资料(如K-A r定年分析、粘土矿物分析数据等)为约束条件对模拟结果进行校准[26]。

2.4生烃史模型国外采用化学动力学法;国内主要采用TTI-Ro 法或Easy Ro法。

国内多数软件的生烃史模型不适用于海相碳酸盐[27]、没有组分化学动力学法[4,28],影响盆地模拟的应用(尤其是国外)。

2.5排烃史模型很多学者就排烃问题进行了研究,提出了不少方法,如烃类成熟度(如Ro)法、降解率法、生烃量门限法、饱和度门限法及扩散法[29]。

由于难于采用试验手段来弄清复杂的排烃机理问题,这5类方法至今倍受争议,迄今尚无一个公认的方法。

故有的盆模软件干脆跳过排烃计算直接由生烃量进行二次运移的模拟,但若无排烃史模型,影响后续的运聚史的模拟结果。

笔者认为,既然排烃量的正确性难于检验,可采用简单但争议少的方法计算排烃,其正确性由二次运移的模拟结果是否接近勘探实际来判别[30]:压实渗流法求排油史[4],既适用于有规律压实(即孔隙度―深度曲线比较正常)的地区,也适用于无规律压实(即孔隙度―深度曲线有异常,如变化较小或甚至不变)的地区,比纯压实排油法合理;物质平衡法求排气史[31]。

2.6烃类运聚史模型关于二次运移的过程仍在讨论中,了解也尚不够。

但通过物理模型试验的地质研究,已有一定的共识,比初次运移争议少。

20多年来逐渐形成了如下7点认识[11]:①烃源岩在盆地内的分布是较大范围的,生烃持续几十甚至几百个Ma;②排烃后的运移通道的分布是聚焦式的,沿着通道运移在时间上是脉搏式的,导致最大烃类运移速率在局部可能是很高的;③油气运聚在时空上是非常小的;④借助浮力,油气在运载层和储集层内的运移总体上是沿着垂直方向;⑤低渗高毛细管力的构造在足够的油气压力下可被侵入;⑥随压力变化的油气密度是一个重要因素;⑦扩散作用可以忽略。

上述二次运移的地质认识是侵入逾渗法的主要理论基础,也是流径法的部分理论基础,但不是多相达西流法的理论基础。

从物理意义来看,侵入逾渗法与流径法没有明显的区别,都是认为二次运移是微观的、不连续的油气“线串”(stringer)沿着优势通道的非均一的运动,且可瞬时完成的,故可不考虑时间模拟功能,虽然两者技术方法的计算实现完全不同。