[科普中国]-盆地模拟

基本概念

盆地模拟(Basin Modeling)是基于物理化学的地质机理，在时间和空间上由计算机定量模拟含油气盆地的形成和演化、烃类的生成、运移和聚集，以揭示盆地油气规律本质。

发展历史早在 1978年联邦德国尤利希核能研究有限公司石油与有机地球化学研究所建立了世界上第一个一维盆地模拟系统(Yuker等，1978;Welte等，1981)，从而开创了“盆地模拟”技术的先河。1984年法国石油研究建立了一个较完整的二维盆地模拟系统(Ungerer等，1984)，该模拟系统可计算埋藏史、古热流史、烃类成熟度史以及油聚集史。1987年英国不列颠石油公司率先将多相流体运移理论加入到二维模型之中(England等，1987)。模型中将水动力和浮力作为多相流体运移的驱动力，该模型是目前公开发表的有关油气二次运移的较好模型(石广仁，1994)。此外，模拟理论和方法不断被科学家们补充和完善。如 1984年美国南卡罗拉大学地质系提出了用镜质体反射率确定古热流的方法(Lerche等，1984);1981年日本石油勘探有限公司勘探部提出的二维盆地模拟系统中考虑了生烃量和排烃量的计算(Nakayama等，1981)。随后，1987年补充完善了一维排烃模型(Nakayama等，1987)。至 20世纪 90年代，随着 Angevine等(1990)的《定量沉积盆地模拟》和 Lerche等(1990)的《沉积盆地分析的定量方法》相继问世，使得盆地模拟的理论更加全面，模拟系统软件也更加实用。

盆地模拟研究被广泛应用于石油地质领域。其模拟内容既包括盆地演化过程中基础地质研究，如沉积、沉降、热流和古地温，也包括油气生成—干酪根裂解过程的化学动力学、排烃动力学以及油气资源评价等诸多方面的研究。在现今的含油气盆地模拟系统中通常包括五个地质模型，即地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史(石广仁，1994)。

地史模型就是重建含油气盆地的沉积史和沉降史，早期模型中多数考虑到沉积压实、超压、剥蚀和沉积间断等因素。现今模型还考虑断层以及拉伸和挤压等因素的影响，从而使模拟更接近实际情形。

热史模拟就是重建含油气盆地的古热流史和古地温史。在盆地数值模拟系统中，沉积盆地的热史恢复和分析，其作用在于为生烃史、排烃史以及运移聚集史的模拟提供温度场。再现盆地古热流史与古温度史的方法有两种：一种是以地球热力学法为主的正演法，另一种是地球热力学与地球化学相结合的反演法。生烃史模型就是重建含油气盆地的烃类成熟史和生烃量史。目前采用的模拟系统方法分两种：TTI-Ro 法和化学动力学法。前者适用于勘探程度较高的地区，后者适用于勘探程度较低的地区。1

基本内容目前作为一个完整的盆地模拟系统是由如下4个模型有机组成：沉降史模型、热史模型、有机质转化史模型、盆地流体模型。

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覆盖)，宜用三维模拟；在中等勘探程度阶段(即有较少的井和地震覆盖)，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。

由于上述每模型自身的诸多简化假设、输人数据的不确定性，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或油气成藏动力学 (烃源一圈闭)的定量手段尚需相当长时间的努力。

一、沉降史模拟

沉降史分析目前已成为盆地分析中的一种常规技术。它是通过盆地沉降历史时期沉降量的定量分析再现盆地的地质历史。人们用它来调查盆地沉降的构造驱动机制，研究盆地的形成和演化，以及用它来研究含油气盆地的热演化史，预测油气的生成窗口。沉降史分析可恢复地质历史时期地层的形态特征及其沉积速率和沉降速率的变化，同时也是其他模拟的基础，为地层、热演化和油气生成聚集模拟提供了时空框架。近年来，这种方法得到了广泛的使用(Steckler等，1978;Sclater等，1980;Bond等，1984;Guidish，1985;石广仁，1994;林 畅松 等，1995，1996)。定量沉降史模拟的方法有两种，一种是反演法，即回剥法(backstripingmeth-od);另一种是正演法。

二、热史模拟

热史模拟的目的是模拟盆地古地温史和古地热史。古地温对沉积物的成岩以及成矿作用起着十分重要作用，各种岩石化学变化和矿物转化都是以环境的温度为重要条件，比如，有机质生烃转化过程中，地温就是决定性的因素。

有关盆地热历史的研究方法已在第五章中讨论，这些方法主要是依赖于测试资料来反推古地温，如利用有机质成熟度指标、牙形石色变指数、裂变径迹法及流体包裹体等指标推算古地温。本节重点介绍利用热力学原理进行盆地热史模拟的方法，目前最常见的有两种：一种是地球热力学方法；另一种是热指标反演法。

三、有机质转化史模拟

有机质转化史即生烃史模拟包括两部分内容，即有机质成熟度史和烃类生成史。有机质转化史模拟为盆地油气资源远景评价提供定量的依据，它是排烃史和运移聚集史模拟的基础。

四、盆地流体模拟

盆地流体流动是盆地动力学背景、构造、沉积充填、热史综合作用的结果(Garven，1989，1995)。盆地流体模拟的目的就是要再现盆地演化过程中流体活动规律，包括盆地演化过程中沉积物物性、温度场、压力场以及流体流动速度、流量、水 -岩相互作用速率等参数随时间的变化(Bethke等，2001)，进而可为盆地内油气运移和聚集、成矿流体运移和聚集提供依据。因此，盆地流体模拟是成矿流体或油气运聚模拟的基础(康永尚等，1999;解习农等，2003)，也是盆地内地质资源评价中必不可少的一个环节。1

模拟系统国外的盆地模拟软件商品化程度较高，如TEMISPACK(法国石油研究院)、BasinMod(美国PlatteRiver公司)、PetroMod(德国有机地化研究所)等。 国内的盆地模拟软件研发于上世纪90年代左右达到鼎盛，研发的相关软件达10多种，如BASIMS(中国石油勘探开发研究院）、PRES(中海油研究中心)、BIAS(原地球软件公司)、GEMDASS及PASS等。 目前国内还在进一步研发的基本只剩下BASIMS。就盆地模拟商品化软件的总体水平来说，国内与国外相比存在着差距，尚须不断努力攻关。

发展方向盆地数值模拟技术在近十几年以来发展极为迅速，而且进展也很快。盆地模拟技术的广泛应用使得盆地分析朝着定量化、动态化和绘图自动化方向发展。现今盆地模拟技术已不仅仅是地质过程的表达形式，而且是对各种动力学参数研究的不可缺少的手段。因而，受到盆地分析专家和石油地质学家的广泛重视。

20多年来，盆地模拟技术在推动盆地分析和石油地质定量化等方面业已发挥了巨大的作用，在本世纪盆地模拟技术仍然具有广阔的发展前景。随着勘探技术的发展，人们对地壳演化和盆地成矿作用机理的认识必将大大加深。近年来，盆地模拟的最新进展主要体现在以下几方面：

(一)盆地充填过程模拟

盆地充填过程模拟涉及盆地沉降、沉积基准面变化、沉积物压实、沉积过程和沉积体形态的定量描述。目前，有关盆地充填过程模拟的技术路线和方法较多，其选择取决于模拟的目的和尺度。Tetzlaff等(1986)和 Bitzer等(1987)采用水动力学方法模拟沉积物的搬运、分散和堆积过程的模拟;而盆地充填宏观过程及沉积层序几何形 态模拟多 数采用几何学 方法(Lawrence等，1987;Douglas，1991;林畅松等，1995)。层序地层模拟是近十年来发展起来的一项新兴的技术，通过计算机模拟既可以加深对层序发育和构成特征的认识，揭示层序形成演化的控制因素，又可以定量分析沉积体系和沉积相的空间分布，并对主要骨架砂体进行有效的预测。2

(二)盆地流体定量模拟

盆地流体是以往研究最为薄弱、难度最大的部分。在 20世纪 80年代，人们遵循流体运动的达西定律和质量守恒定律编制一系列盆地流体的软件，如：1986年美国伊利诺伊大学地质系利用有限差分法推出了二维盆地流体模拟软件———BASIN2。这些模拟软件多数利用数值模拟技术模拟盆地演化成程中沉积物物性、温压场以及流体流动速度、流量等参数随时间的变化。盆地流体既是油气运移、聚集的载体，也是其他成矿流体的载体。所模拟的古水动力场及演化特征可以作为其他模拟研究的基础，比如水 -岩相互作用过程模拟、与地下水活动相关的生物作用过程模拟等。近年来在该领域的发展也逐渐从单一模型向流体动力学过程与水 -岩相互作用的化学动力学过程结合的系统动力学模型的发展。2

三）成藏动力学模拟

含油气系统和成藏动力学是油气地质领域最新进展。含油气系统是盆地内相对独立的油气生、运、聚单元；油气成藏动力学过程强调了由温度、压力和有效受热时间控制的油气生成的化学动力学过程以及由水动力和流体势控制的油气运聚的流体动力学过程。近年来，在原有五史模型（地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史）基础上得到了更大的发展。其突出体现从二维模型向三维模型、从单相流体向多相流体运移、从简单模型向较完善的动力学模型的发展。1

作为长期的技术难题， 盆地模拟在模拟算法精确求解、对断层和成岩作用等地质因素的考虑、油气运移的间歇式突变过程恢复、古水动力学过程重建等诸多方面面临着困难与挑战。而加强对三维地质属性建模与构造建模技术的应用、实行符合地质规律的油气运聚法则引导下的分关键阶段交互模拟，将是今后盆地模拟技术发展的主要方向。此外，将油气地质学、数学地质、计算机等学科的最新进展和新技术融入盆地模拟，也会大大促进该项技术的进步。