油氣盆地模擬技術是以系統科學理論為指導，以油氣形成的石油地質機理為建模基礎，將複雜的石油地質過程模型化、定量化，從而實現盆地的三維動態分析模擬的一種方法和手段。油氣盆地模擬的主要模型為地史模型、熱史模型、生烴史模型、排烴史模型和運移聚集史模型。詞條介紹了其發展簡史、主要模型、模擬流程、輸出結果形式、研究難點以及發展展望。
基本介紹
- 中文名：油氣盆地數值模擬技術
- 外文名：Oil and gas basin numerical simulation technology
- 領域：能源
- 涉及學科：自動化、石油、化工
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油氣盆地模擬的概念
沉積盆地是油氣形成和賦存的基本地質構造單元。油氣的形成與賦存是發生在含油氣盆地發展演化地質歷史中的事件，為了揭示油氣藏的形成機理，必須查明今天的油氣藏或含油氣系統的成藏要素在地史過程中的演變，即進行以油氣成藏為核心的完整的盆地分析研究。
盆地分析是一項龐大的系統工程，具有多學科性和複雜性的特徵。長期以來，由於受地質理論、測試手段及計算技術等條件的限制，石油地質家對含油氣盆地的特徵和形成演化，只進行定性或半定量的描述和成因推理。這在一定程度上影響了對沉積盆地中油氣成藏作用機理和成藏作用過程的認識。而盆地模擬技術的出現和發展，使得對含油氣盆地或含油氣系統的石油地質過程研究的快速、定量化成為可能。
盆地模擬是以系統科學理論為指導，以油氣形成的石油地質機理為建模基礎，將複雜的石油地質過程模型化、定量化，從而實現盆地的三維動態分析模擬的一種方法和手段。
可以說，作為研究石油地質過程的一種思維，盆地模擬是一種研究思路和方法；作為油氣勘探的一種手段或工具，盆地模擬是一種技術。
盆地模擬發展簡史
國外發展簡史
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以來，世界各大石油公司和研究機構相繼開展了盆地模擬方法研究和軟體研製工作。二十多年來，法國、美國、英國、日本等分別推出了規模不等、各具特色的盆地模擬系統。
（1）1978年原西德尤利希公司石油與有機地化研究所推出了基於正演地史的一維盆地模擬系統。其基本思路是：按壓實作用恢復埋藏史，對欠壓實地層計算其古超壓史，同時算出相應的古厚度史，並獲得流體速度史；通過熱流方程獲得古地溫史；兩史結合求出TTI和有機質成熟度史（Ro史）；在Ro史基礎上，根據產烴率曲線計算生、排烴史。整個計算過程需要反覆調整計算結果，使之與現今資料吻合；
（2） 1981年日本石油勘探有限公司建立了一個簡化的二維盆地模擬系統。其特點是在地質剖面上劃分若干小矩形單元，對每個單元進行沉積埋藏史和生烴史模擬，並用浮力法研究二次運移。該公司1987年還提出了一維排烴模型，完善了原有的排烴模型。
（3） 1984年法國石油研究院建立了一個較完整的二維盆地模擬系統，模擬對象是經過地質解釋的地震剖面。該系統使用正演的回剝技術恢復盆地埋藏史，並提出了根據今熱流求古熱流的地球熱力學法、兩相運
移法求流體壓力史和油聚集史、地球熱力學法求沿通道運移的含溶解氣的油量等。
（4） 1984年美國南卡羅拉那大學地球科學系也研製了一維盆地模擬系統，並提出了用鏡質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法的傳統，之後又相繼提出了用其它幾種地化資料確定古熱流的方法，擴大了其套用範圍。
（5） 1987年英國BP石油公司提出了一個關於油氣二次運移聚集的二維模型。其特點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移的動力；考慮地下流體的不同相態，流體滲流符合達西定律；運移損失量與通道孔隙體積有關。
（6）1988年日本石油勘探有限公司與美國南卡羅拉那大學合作，在原簡化模型基礎上建立了一個較完整的二維盆地模擬系統。該系統的烴類生成和運移模型考慮了獨立的油相或氣相運移、熱膨脹力、毛細管力、裂縫及斷層等。
（7）90年代是盆地模擬全面發展的時期。其特點是，各大石油公司不再集中大量人力、物力研製大型盆模軟體，而是轉向與大學及科研機構合作共同開發，或購買商品化軟體。軟體系統由早期的一維、剖面二維向平面二維和三維模型發展，盆地模擬在廣泛的實際套用中得到不斷的發展和完善。
總之，國際上前10年以一維模型為主，重點研究盆地三史，即地史、熱史、生烴史，多數處於試驗性套用階段；後10年以二維模型為主，研究的重點是盆地中油氣的排烴史和運移聚集史，並全面進入實際套用階段；目前正朝著三維模型、三相多組分運移方向發展。
在軟體的工業化套用方面，目前在國際商品軟體市場上活躍的主要是三家盆地模擬軟體：
① 德國有機地化研究所（IES）的PetroMod，由剖面二維油氣系統分析軟體PetroFlow、平面二維油氣系統分析軟體Finesse和沉積作用分析軟體Sedpak三個相對獨立的系統組成。
② 法國石油研究院（IFP）的TemisPack（二維），Genex（一維）和Temis 3D（三維）系列軟體，該系列軟體由Beicip-Franlab公司市場化。
③ 美國Platte River公司（PRA）的BasinMod，其主打產品是BasinMod 1-D, BasinMod 2-D, 目前正在研製BasinMod 3-D。
這些軟體內容全面，技術先進，商品化程度高，在解決盆地分析問題的不少方面都有其獨到之處。
國內發展狀況
我國盆地模擬技術是在80年代初期跟蹤西方國家技術基礎上發展起來的，發展歷程與西方大體相似。
1980年，我國勝利油田在開展“臨邑盆地烴潛力研究”時引進了原西德的一維盆地模擬軟體，後又對該軟體進行了改進，從而形成了我國第一套盆地模擬軟體系統（SLBSS）。
1989年北京石油勘探開發科學研究院推出了具有自主著作權的一維盆地模擬系統（BAS1），1990年推出了二維盆地模擬圖形工作站系統（BMWS），1996年推出了全新的、具有國際著作權的盆地綜合模擬系統（BASIMS）。上述軟體成為全國二輪油氣資源評價的主力軟體，最終用戶達到50多家。
中國海洋石油勘探開發研究中心也於1989年推出了一維盆地模擬系統（HYBSS），1990年與吉林大學合作推出油氣資源評價專家系統（PRES），並在海上油氣資評中得到廣泛套用；1996年後分別與美國加州大學伯克利分校、中科院數學所以及中國地質大學等單位合作開發了以二維模型為核心的盆地模擬系統（ProBases）。
90年代以來，盆地模擬技術在我國得到快速發展。在一維盆地模擬系統推廣套用的基礎上，不少單位如大慶油田、勝利油田、中原油田、青海油田、西北石油地質所等都結合本地實際，對已有的軟體進行改進完善，或獨立開發盆模軟體。例如，大慶油田在三維空間格線化技術、熱史模型等方面都有所進展；勝利油田與山東大學合作，採用運算元分裂法求解三維模型，推出視三維盆地模擬系統（SL3DBS）；西北石油地質所與物探局合作開發了“盆地綜合分析系統”。一些院校如石油大學、南京大學、成都理工學院、中國地質大學、大慶石油學院等也在地質模型和模擬方法方面作了大量卓有成效的工作，並建立了規模不等的盆地模擬系統，例如成都理工學院與杭州石油地質研究所共同開發的“南方海相殘餘盆地模擬系統”，石油大學（北京）與大慶油田聯合研製了“盆地模擬與油氣評價系統（BMPES）”。
由於我國石油地質條件的極端複雜性，國內盆地模擬軟體除了要吸收國外先進方法外，還要結合我國的具體地質情況進行攻關研究。
總的來看，我國盆地模擬內容全面，技術比較先進，一些軟體已經達到了商品化水平，並受到國際同行的好評。但在軟體的圖形可視化方面與國外尚有一定差距。
油氣盆地模擬的主要模型
地史模型
（1）功能：用於描述和重建盆地構造演化史、沉降埋藏史和沉積發育史 。
（2）地史模型是盆地模擬技術中的基礎模型，其模擬精度直接影響到其他模型模擬的精度。目前已建立了地層的壓實—欠壓實模型、構造沉降模型、平衡地質剖面模型等，並考慮了剝蝕作用、海平面變化、斷裂活動等地質因素。
地史模型的主要考慮因素：沉積壓實、地層超壓、剝蝕、沉積間斷、斷層等。由於斷層因素的複雜多樣性，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基礎模型，其可靠程度直接影響到其它模型的運算精度。
（3）模擬的方法：正演法和反演法 。
正演方法：從古到今的方法。根據地層的現今厚度及孔隙度等資料，恢復地層的古沉積厚度，後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、沉積間斷等地質事件。該方法的最大缺點是需要不斷調整古地質參數，以使模擬結果與現今的地質資料吻合。
反演方法（回剝技術）：從今到古的方法。從現今的實際地質資料入手，依次恢復地層從今到古的厚度變化情況，相當於把地層從新到老逐層剝去，故稱回剝技術。該方法的優點是不需要對模擬結果進行檢驗，不足之處是不能方便地解決地層超壓的問題。
無論是正演還是反演，兩種方法都是基於沉積壓實原理，假設隨埋藏深度的增加，只有孔隙體積的變小，而地層的骨架厚度不變。
熱史模型
（1）功能：描述和重建含油氣盆地古熱流史和古地溫史，進而重建有機質的熱成熟史。該模型是盆地模擬的關鍵模型之一 。
（2）熱史模型是盆地模擬中的關鍵模型，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、基底古大地熱流值、孔隙度、鏡煤反射率及其它地化資料等。
（3）建立方法：地球熱力學方法、地球熱力學與地球化學結合的方法。
地球熱力學方法：根據盆地現今的大地熱流值及其隨地質時間的變化，沉積物、孔隙流體和岩石的熱導率以及孔隙度隨埋深的變化等，來恢復盆地的古熱流史和溫度史。
地球熱力學與地球化學結合的方法：基本思路和上述一致，但確定古大地熱流值時使用地球熱力學與地球化學結合的方法，被認為是更精確的。
（4）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（古大地熱流史）模型
生烴史模型
（1）功能：描述和重建含油氣盆地烴類成熟史和生烴量史。
（2）生烴史模型是盆地模擬中的重要模型，其計算結果反映了盆地的生烴能力，並直接影響到排烴史模擬的計算精度。生烴史模型的基礎是傳統的體積法模型，在此基礎上可能演變成計算結果更精確合理的其他形式。
生烴史基本模型：
（3）該模型的關鍵在於產烴率史的計算，求解產烴率史常用兩種方法：Ro－產烴率關係曲線法(圖版法)和化學動力學法。
vRo－產烴率關係曲線法(圖版法)：在溫度史研究的基礎上，求出生油岩的Ro史，再根據乾酪根熱模擬實驗得出的Ro－產烴率關係曲線，求出生油層的產烴率史，最終求出生油層的生油量史。
v化學動力學法：Tissot等人研究證實，乾酪根的熱降解生油過程遵循化學動力學一級反應定律,乾酪根由六類不同鍵合物質組成，每類鍵合物質生烴潛力不同，它們按不同的速率降解生油。結合溫史研究，利用Tissot模型求出各類鍵合物質各時期的殘餘量，進而求出降解量，最後求出產烴率。由此計算生油層的生油量史。
（4）綜上，生烴史模型應該包括以下基本模型：
體積法模型；
產烴率史模型；
成熟度史（Ro史）模型；
生烴史模型最終的結果是求出各生油層各時期的生油量、生氣量。總的說，生烴模型的研究目前較為成熟。
排烴史模型
（1）功能：描述和重建盆地油氣自源岩向運載層排出的初次排烴過程。（初次運移史）
（2）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。目前已建立了壓實模型、壓差模型以及滲流力學模型等，同時建立了不同相態的排烴模型。目前排烴史模型基本上是成功的，但由於對排烴機理尚有許多未知的因素，因此尚待繼續完善。現在流行的初次運移的主要機理有：烴類與水呈固有相態運移、水溶液運移、擴散運移、烴溶於氣中運移等。
（3）研究排烴史模型的方法主要有：
壓實法（排油）模型～沉積壓實排烴
壓差法（排油）模型～泥－砂岩之間的壓差排烴
滲流力學法（油、氣、水）模型～達西定律和超壓
微裂縫排烴法（深層及碳酸岩 ）
物質平衡法 （排氣 ）
運移聚集史模型
（1）功能：描述和重建含油氣盆地的油氣二次運移史和聚集史。
（2）由於油氣二次運移的地質環境及影響因素十分複雜，因此建立一個確定性的地質模型比較困難，建立數學模型就更難了。目前，一般使用二維二相或三維二相的簡化滲流力學模型。這些模型在一定程度上能夠模擬油氣的運聚規律。目前國內外還沒有一個真正實用的運移聚集史模型。從這點看，運移聚集史模型的研究將是今後盆地模擬技術中的重點研究方向。
（3）目前運聚史模擬的主要方法：
二維二相滲流力學（垂直剖面、油氣或氣水 ）
二維三相滲流力學 （垂直剖面、油氣水共存 ）
三維三相滲流力學 （立體空間、油氣水共存 ）
流體勢分析法 （古構造及地下流體環境比較清楚 ）
運算元分裂法 （視三維模型 ）
盆地模擬流程（一維正演）
1、在概念模型的基礎上建立合理的數學模型；
2、模擬格線的劃分；
3、原始資料及模擬參數的輸入；
4、模擬運算(從古到今)；
5、模擬結果的檢驗；
6、模擬結果的輸出(數據、圖件、磁碟檔案)；
7、研究盆地的地史、溫度史、生烴史、排烴史及運移聚集史；
模擬結果輸出
輸出數據
主要包括系統的地層等厚圖數據、孔隙度數據、溫度數據、鏡煤反射率數據、產烴率數據、生油強度及生油量數據、排烴強度及排烴量數據、排水強度及排水量數據、排液強度及排液量數據、異常壓力分布數據等。
輸出圖件
主要包括模擬平面格線圖、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、盆地發育剖面圖、單井埋藏史曲線圖、古地溫等值線圖、有機質成熟度圖、產烴率分布圖、生油強度(單位面積生油量)等值線圖、生油剖面圖、排烴強度等值線圖、異常壓力分布圖、油氣運移方向矢量圖、運移速度圖、運移流線圖、有利地帶綜合評價圖及各種生油層生、排烴量直方圖、餅圖等統計圖形。
盆地模擬技術研究難點
（1）盆模難度源於油氣地質學的以下幾個基本特點：
① 地質體自身的不可入性。它決定了人們對地下信息的認識只能來自於地面地球物理調查及實際鑽探，而後者又受到設備自身及其它地質因素的影響。
② 岩石圈結構、組成、岩石物性的非均一性，以及構造變形的複雜性。這些特點導致地質演變過程模擬反演的多解性。
③ 流體礦產的流動性。油氣是存在於地下的流體礦產，其最大特性是運移、流動，同時其流動軌跡受構造、地質、地下水活動、溫-壓等多種因素的影響。
④油氣運移的多相性。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和組份特徵。
⑤地質時間跨度長。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，對於數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”邊界。盆地的邊界和充填物是隨著地質時間不斷變化的，而且這種變化通常都不是完全滿足常規幾何學、運動學原理的。這一特點造成地下油氣滲流的地質環境和邊界條件十分複雜多變，並導致數值方程的求解十分困難。
（2）需要解決以下幾個難題 ：
① 盆地動力學模型與油氣成藏動力學模型的有機統一
盆地動力學過程和油氣成藏動力學過程是含油氣盆地動力學有機聯繫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。成藏作用過程嚴格受控於沉積盆地發展演化的深部過程、動力學背景及其發展演化階段。從含油氣盆地的類型與油氣分布的關係看，不同成因類型的盆地往往有不同的成礦作用特徵。具體表現在盆地基底性質及變形特徵、熱體制及其演變、構造樣式、成藏模式及油氣分布規律等方面的差異。因此，必須以盆地動力學研究為基礎，按照不同類型的盆地來建立油氣盆地地質模型及數學模型。
② 三維地質體動態平衡模型及相應的數學模型建立
這是未來10年盆地數值模擬的主攻方向之一。目前已經建立的二維平衡地質剖面演化模型，由於約束條件是剖面上變形平衡，即剖面上沒有物質的流入或流出，因此，只能模擬個別包含簡單的擠壓或拉張構造作用的剖面構造演化。而真實系統的盆地動力學過程往往是包含剪下構造作用的複雜變形過程，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模型及相應的數學模型。其中難點的核心還是數學模型的建立
③ 盆地古水動力學過程的數值模擬
盆地中的地下水是油氣運移、聚集的載體，地下水的運動嚴重地制約著油氣的聚集與分布。勘探實踐表明，盆地中大中型油氣藏的形成與分布與區域水動力條件(水化學場、水滲流場、水溫度場)有密切的關係。因此對於油氣運聚過程的模擬來說，古水動力場特徵及演化研究與模擬至關重要。目前盆地模擬主要以一維、二維為主，對垂向上的壓實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。難點主要是古水動力場的確定及數值模擬。其研究內容涉及古地貌、古氣候、古構造、古水文等多學科知識。
④ 成藏動力學各模型的全三維化
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。在此基礎上實現熱史、生烴史、排烴史及運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機理問題，如碳酸鹽岩的成烴機理、較完善的油氣運聚機理等。在地質模型不斷修正和完善的條件下，建立成藏作用過程的三維數學模型是最終的關鍵所在。要研製科學實用的、能保障精度的三維數值模擬方法，需要地質家、數學家及軟體專家的協同攻關。
⑤ 可變格線的偏微分方程組求解
油、氣、水混相運動的偏微分方程組用於描述油氣二次運移，以解決盆地模擬的最終目標——油氣聚集的時空規律。從古到今求解時的困難不僅在於模擬時間，更主要在於可變的模擬空間，即盆地的幾何空間在巨觀上越來越大，同時在微觀上各地層的厚度因壓實而變小，甚至因剝蝕而消失。當採用有限插分法或有限元法解該偏微分方程組時，都面臨一個“可變格線”的難題：格線數量和每個格線的尺寸均隨時間變化。因此，求解的穩定性和收斂性主要受控於可變格線。這種可變格線的偏微分方程組求解問題，向數學家和地質家提出了新的挑戰。
盆地模擬發展展望
① 基於盆地動力學演化的全三維油氣盆地動態模擬系統得以建立並逐漸完善
首先是三維地質建模和三維地質體平衡技術取得突破進展，在地質建模過程中，先進的實驗室物理模擬也將發揮重要的輔助作用，以促進地質家對成礦作用機理的深入認識。同時，由於石油地質家與計算機數學家密切協作，三維動態模擬的數學模型以及可變格線的偏微分方程求解問題獲得較好的解決，而先進的三維可視化、三維動畫技術和虛擬現實技術，以及大容量、高速度的計算機，為建立這種大型的計算機模擬系統提供了技術保障。
② 由大型勘探資料庫支持的盆地動態模擬系統成為油氣勘探和資源預測的得力工具
未來的盆地模擬系統將具有良好的數據接口，可以充分調用通用勘探資料庫、圖形庫及數據銀行中的數據資源，並與其它勘探開發軟體實現數據共享。屆時，盆地模擬真正成為石油地質綜合研究必不可少的有力工具。由於盆地模擬系統網路版的推廣普及，地質家通過區域網路不論何時、何地，不論使用那一台計算機終端，都能很方便地調用最新數據進行即時盆地分析模擬研究，檢驗地質模型，獲得有用的信息，並在統一的軟體平台上開展勘探目標和經濟分析。
③ 成油氣系統模擬成為盆地模擬的重要內容和發展形式
由於成油氣系統是盆地內相對獨立的油氣生、運、聚單元，因此也是最適於做盆地模擬評價的油氣地質單元。用盆地模擬技術實現成油氣系統動態數值模擬，業已取得了一定進展。功能更加強大的油氣系統動態模擬軟體將在今後逐步完善起來，它是在盆地模擬系統的基礎上，按照油氣系統的研究內容和成圖表達方式建立起來的大型計算機軟體系統，是盆地模擬軟體系統的新發展。
④ “互動模擬”、“人工干預界面”和“綜合評價”技術獲得長足發展
鑒於盆地石油地質過程的極端複雜性，為了揚長避短，未來的盆地模擬系統將更多地體現“互動模擬”和“人工干預”的思想，在數值模擬基礎上，充分吸收常規石油地質的分析結果，並與地質家的人工智慧有機結合起來，實現盆地或成油氣系統的綜合分析模擬，最終使得對油氣資源和勘探目標的評價達到精確的實用水平。
