[科普中国]-油气盆地数值模拟技术

油气盆地模拟的概念

沉积盆地是油气形成和赋存的基本地质构造单元2。油气的形成与赋存是发生在含油气盆地发展演化地质历史中的事件，为了揭示油气藏的形成机理，必须查明今天的油气藏或含油气系统的成藏要素在地史过程中的演变，即进行以油气成藏为核心的完整的盆地分析研究。

盆地分析是一项庞大的系统工程，具有多学科性和复杂性的特征。长期以来，由于受地质理论、测试手段及计算技术等条件的限制，石油地质家对含油气盆地的特征和形成演化，只进行定性或半定量的描述和成因推理。这在一定程度上影响了对沉积盆地中油气成藏作用机理和成藏作用过程的认识。而盆地模拟技术的出现和发展，使得对含油气盆地或含油气系统的石油地质过程研究的快速、定量化成为可能。

盆地模拟是以系统科学理论为指导，以油气形成的石油地质机理为建模基础，将复杂的石油地质过程模型化、定量化，从而实现盆地的三维动态分析模拟的一种方法和手段。

可以说，作为研究石油地质过程的一种思维，盆地模拟是一种研究思路和方法；作为油气勘探的一种手段或工具，盆地模拟是一种技术。

盆地模拟发展简史国外发展简史自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3。

（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。其基本思路是：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；两史结合求出TTI和有机质成熟度史（Ro史）；在Ro史基础上，根据产烃率曲线计算生、排烃史。整个计算过程需要反复调整计算结果，使之与现今资料吻合；

（2） 1981年日本石油勘探有限公司建立了一个简化的二维盆地模拟系统。其特点是在地质剖面上划分若干小矩形单元，对每个单元进行沉积埋藏史和生烃史模拟，并用浮力法研究二次运移。该公司1987年还提出了一维排烃模型，完善了原有的排烃模型。

（3） 1984年法国石油研究院建立了一个较完整的二维盆地模拟系统，模拟对象是经过地质解释的地震剖面。该系统使用正演的回剥技术恢复盆地埋藏史，并提出了根据今热流求古热流的地球热力学法、两相运

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年日本石油勘探有限公司与美国南卡罗拉那大学合作，在原简化模型基础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发展的时期。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，或购买商品化软件。软件系统由早期的一维、剖面二维向平面二维和三维模型发展，盆地模拟在广泛的实际应用中得到不断的发展和完善。

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发展。

在软件的工业化应用方面，目前在国际商品软件市场上活跃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。

② 法国石油研究院（IFP）的TemisPack（二维），Genex（一维）和Temis 3D（三维）系列软件，该系列软件由Beicip-Franlab公司市场化。

③ 美国Platte River公司（PRA）的BasinMod，其主打产品是BasinMod 1-D, BasinMod 2-D, 目前正在研制BasinMod 3-D。

这些软件内容全面，技术先进，商品化程度高，在解决盆地分析问题的不少方面都有其独到之处。

国内发展状况我国盆地模拟技术是在80年代初期跟踪西方国家技术基础上发展起来的，发展历程与西方大体相似。

1980年，我国胜利油田在开展“临邑盆地烃潜力研究”时引进了原西德的一维盆地模拟软件，后又对该软件进行了改进，从而形成了我国第一套盆地模拟软件系统（SLBSS）1。

1989年北京石油勘探开发科学研究院推出了具有自主版权的一维盆地模拟系统（BAS1），1990年推出了二维盆地模拟图形工作站系统（BMWS），1996年推出了全新的、具有国际版权的盆地综合模拟系统（BASIMS）。上述软件成为全国二轮油气资源评价的主力软件，最终用户达到50多家。

中国海洋石油勘探开发研究中心也于1989年推出了一维盆地模拟系统（HYBSS），1990年与吉林大学合作推出油气资源评价专家系统（PRES），并在海上油气资评中得到广泛应用；1996年后分别与美国加州大学伯克利分校、中科院数学所以及中国地质大学等单位合作开发了以二维模型为核心的盆地模拟系统（ProBases）。

90年代以来，盆地模拟技术在我国得到快速发展。在一维盆地模拟系统推广应用的基础上，不少单位如大庆油田、胜利油田、中原油田、青海油田、西北石油地质所等都结合本地实际，对已有的软件进行改进完善，或独立开发盆模软件。例如，大庆油田在三维空间网格化技术、热史模型等方面都有所进展；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“南方海相残余盆地模拟系统”，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）”。

由于我国石油地质条件的极端复杂性，国内盆地模拟软件除了要吸收国外先进方法外，还要结合我国的具体地质情况进行攻关研究。

总的来看，我国盆地模拟内容全面，技术比较先进，一些软件已经达到了商品化水平，并受到国际同行的好评。但在软件的图形可视化方面与国外尚有一定差距3。

油气盆地模拟的主要模型地史模型（1）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 。

（2）地史模型是盆地模拟技术中的基础模型，其模拟精度直接影响到其他模型模拟的精度。目前已建立了地层的压实—欠压实模型、构造沉降模型、平衡地质剖面模型等，并考虑了剥蚀作用、海平面变化、断裂活动等地质因素。

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基础模型，其可靠程度直接影响到其它模型的运算精度。

（3）模拟的方法：正演法和反演法 4。

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。

反演方法（回剥技术）：从今到古的方法。从现今的实际地质资料入手，依次恢复地层从今到古的厚度变化情况，相当于把地层从新到老逐层剥去，故称回剥技术。该方法的优点是不需要对模拟结果进行检验，不足之处是不能方便地解决地层超压的问题。

无论是正演还是反演，两种方法都是基于沉积压实原理，假设随埋藏深度的增加，只有孔隙体积的变小，而地层的骨架厚度不变。

热史模型（1）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 5。

（2）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。

（3）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：基本思路和上述一致，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。

（4）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

生烃史模型（1）功能：描述和重建含油气盆地烃类成熟史和生烃量史6。

（2）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。生烃史模型的基础是传统的体积法模型，在此基础上可能演变成计算结果更精确合理的其他形式。

生烃史基本模型1：

（3）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。

vRo－产烃率关系曲线法(图版法)：在温度史研究的基础上，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。

v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应定律,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残余量，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。

（4）综上，生烃史模型应该包括以下基本模型：

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。

排烃史模型（1）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1。（初次运移史）

（2）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。目前排烃史模型基本上是成功的，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。

（3）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 ）

运移聚集史模型（1）功能：描述和重建含油气盆地的油气二次运移史和聚集史3。

（2）由于油气二次运移的地质环境及影响因素十分复杂，因此建立一个确定性的地质模型比较困难，建立数学模型就更难了。目前，一般使用二维二相或三维二相的简化渗流力学模型。这些模型在一定程度上能够模拟油气的运聚规律。目前国内外还没有一个真正实用的运移聚集史模型。从这点看，运移聚集史模型的研究将是今后盆地模拟技术中的重点研究方向。

（3）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 ）

盆地模拟流程（一维正演）1、在概念模型的基础上建立合理的数学模型3；

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；

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1。

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7。

盆地模拟技术研究难点（1）盆模难度源于油气地质学的以下几个基本特点4：

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。

（2）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发展演化的深部过程、动力学背景及其发展演化阶段。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基础，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。勘探实践表明，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的确定及数值模拟。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。在此基础上实现热史、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。在地质模型不断修正和完善的条件下，建立成藏作用过程的三维数学模型是最终的关键所在。要研制科学实用的、能保障精度的三维数值模拟方法，需要地质家、数学家及软件专家的协同攻关。

⑤ 可变网格的偏微分方程组求解

油、气、水混相运动的偏微分方程组用于描述油气二次运移，以解决盆地模拟的最终目标——油气聚集的时空规律。从古到今求解时的困难不仅在于模拟时间，更主要在于可变的模拟空间，即盆地的几何空间在宏观上越来越大，同时在微观上各地层的厚度因压实而变小，甚至因剥蚀而消失。当采用有限插分法或有限元法解该偏微分方程组时，都面临一个“可变网格”的难题：网格数量和每个网格的尺寸均随时间变化。因此，求解的稳定性和收敛性主要受控于可变网格。这种可变网格的偏微分方程组求解问题，向数学家和地质家提出了新的挑战。

盆地模拟发展展望① 基于盆地动力学演化的全三维油气盆地动态模拟系统得以建立并逐渐完善3

首先是三维地质建模和三维地质体平衡技术取得突破进展，在地质建模过程中，先进的实验室物理模拟也将发挥重要的辅助作用，以促进地质家对成矿作用机理的深入认识。同时，由于石油地质家与计算机数学家密切协作，三维动态模拟的数学模型以及可变网格的偏微分方程求解问题获得较好的解决，而先进的三维可视化、三维动画技术和虚拟现实技术，以及大容量、高速度的计算机，为建立这种大型的计算机模拟系统提供了技术保障。

② 由大型勘探数据库支持的盆地动态模拟系统成为油气勘探和资源预测的得力工具

未来的盆地模拟系统将具有良好的数据接口，可以充分调用通用勘探数据库、图形库及数据银行中的数据资源，并与其它勘探开发软件实现数据共享。届时，盆地模拟真正成为石油地质综合研究必不可少的有力工具。由于盆地模拟系统网络版的推广普及，地质家通过局域网络不论何时、何地，不论使用那一台计算机终端，都能很方便地调用最新数据进行即时盆地分析模拟研究，检验地质模型，获得有用的信息，并在统一的软件平台上开展勘探目标和经济分析。

③ 成油气系统模拟成为盆地模拟的重要内容和发展形式

由于成油气系统是盆地内相对独立的油气生、运、聚单元，因此也是最适于做盆地模拟评价的油气地质单元。用盆地模拟技术实现成油气系统动态数值模拟，业已取得了一定进展。功能更加强大的油气系统动态模拟软件将在今后逐步完善起来，它是在盆地模拟系统的基础上，按照油气系统的研究内容和成图表达方式建立起来的大型计算机软件系统，是盆地模拟软件系统的新发展。

④ “交互模拟”、“人工干预界面”和“综合评价”技术获得长足发展

鉴于盆地石油地质过程的极端复杂性，为了扬长避短，未来的盆地模拟系统将更多地体现“交互模拟”和“人工干预”的思想，在数值模拟基础上，充分吸收常规石油地质的分析结果，并与地质家的人工智能有机结合起来，实现盆地或成油气系统的综合分析模拟，最终使得对油气资源和勘探目标的评价达到精确的实用水平。