盆地模擬

盆地模擬是基於物理化學的地質機理，在時間和空間上由計算機定量模擬含油氣盆地的形成和演化、烴類的生成、運移和聚集，以揭示盆地油氣規律本質。

基本介紹

• 中文名：盆地模擬
• 外文名：Basin Modeling
• 基於：物理化學的地質機理
• 目的：揭示盆地油氣規律本質
• 對象：盆地
• 起源時間：1978年

基本概念

盆地模擬(Basin Modeling)是基於物理化學的地質機理，在時間和空間上由計算機定量模擬含油氣盆地的形成和演化、烴類的生成、運移和聚集，以揭示盆地油氣規律本質。

發展歷史

早在 1978年聯邦德國尤利希核能研究有限公司石油與有機地球化學研究所建立了世界上第一個一維盆地模擬系統(Yuker等，1978;Welte等，1981)，從而開創了“盆地模擬”技術的先河。1984年法國石油研究建立了一個較完整的二維盆地模擬系統(Ungerer等，1984)，該模擬系統可計算埋藏史、古熱流史、烴類成熟度史以及油聚集史。1987年英國不列顛石油公司率先將多相流體運移理論加入到二維模型之中(England等，1987)。模型中將水動力和浮力作為多相流體運移的驅動力，該模型是目前公開發表的有關油氣二次運移的較好模型(石廣仁，1994)。此外，模擬理論和方法不斷被科學家們補充和完善。如 1984年美國南卡羅拉大學地質系提出了用鏡質體反射率確定古熱流的方法(Lerche等，1984);1981年日本石油勘探有限公司勘探部提出的二維盆地模擬系統中考慮了生烴量和排烴量的計算(Nakayama等，1981)。隨後，1987年補充完善了一維排烴模型(Nakayama等，1987)。至 20世紀 90年代，隨著 Angevine等(1990)的《定量沉積盆地模擬》和 Lerche等(1990)的《沉積盆地分析的定量方法》相繼問世，使得盆地模擬的理論更加全面，模擬系統軟體也更加實用。

盆地模擬研究被廣泛套用於石油地質領域。其模擬內容既包括盆地演化過程中基礎地質研究，如沉積、沉降、熱流和古地溫，也包括油氣生成—乾酪根裂解過程的化學動力學、排烴動力學以及油氣資源評價等諸多方面的研究。在現今的含油氣盆地模擬系統中通常包括五個地質模型，即地史、熱史、生烴史、排烴史和運移聚集史(石廣仁，1994)。

地史模型就是重建含油氣盆地的沉積史和沉降史，早期模型中多數考慮到沉積壓實、超壓、剝蝕和沉積間斷等因素。現今模型還考慮斷層以及拉伸和擠壓等因素的影響，從而使模擬更接近實際情形。

熱史模擬就是重建含油氣盆地的古熱流史和古地溫史。在盆地數值模擬系統中，沉積盆地的熱史恢復和分析，其作用在於為生烴史、排烴史以及運移聚集史的模擬提供溫度場。再現盆地古熱流史與古溫度史的方法有兩種：一種是以地球熱力學法為主的正演法，另一種是地球熱力學與地球化學相結合的反演法。生烴史模型就是重建含油氣盆地的烴類成熟史和生烴量史。目前採用的模擬系統方法分兩種：TTI-Ro 法和化學動力學法。前者適用於勘探程度較高的地區，後者適用於勘探程度較低的地區。

基本內容

目前作為一個完整的盆地模擬系統是由如下4個模型有機組成：沉降史模型、熱史模型、有機質轉化史模型、盆地流體模型。

一般地說，判斷一個盆地模擬系統的優劣可從如下五個方面考慮：①輸入參數的種類和數量儘可能多；②模型數目齊全，即一維系統應由上述前五個模型組成，二維和三維系統應由上述六個模型組成；③各模型的方法正確，技術先進；④輸出圖件的種類齊全，精確實用；⑤具有參數敏感性與風險分析的功能。實際套用時，各模型所採用的維數應取決於勘探程度：在高勘探程度階段(即有較多的井和地震覆蓋)，宜用三維模擬；在中等勘探程度階段(即有較少的井和地震覆蓋)，宜用二維模擬；在低勘探程度階段(即僅有很少的井)，宜用一維模擬。

由於上述每模型自身的諸多簡化假設、輸人數據的不確定性，故：(1)在低勘探程度階段，不能進行二次運移模擬；(2)在中等勘探程度階段，起到區帶評價的作用；(3)在高勘探程度階段，基本上還是起到區帶評價的作用，只在局部可能起到圈閉評價的作用。由此可見，盆地模擬技術真正成為油氣系統或油氣成藏動力學 (烴源一圈閉)的定量手段尚需相當長時間的努力。

一、沉降史模擬

沉降史分析目前已成為盆地分析中的一種常規技術。它是通過盆地沉降歷史時期沉降量的定量分析再現盆地的地質歷史。人們用它來調查盆地沉降的構造驅動機制，研究盆地的形成和演化，以及用它來研究含油氣盆地的熱演化史，預測油氣的生成視窗。沉降史分析可恢復地質歷史時期地層的形態特徵及其沉積速率和沉降速率的變化，同時也是其他模擬的基礎，為地層、熱演化和油氣生成聚集模擬提供了時空框架。近年來，這種方法得到了廣泛的使用(Steckler等，1978;Sclater等，1980;Bond等，1984;Guidish，1985;石廣仁，1994;林 暢松 等，1995，1996)。定量沉降史模擬的方法有兩種，一種是反演法，即回剝法(backstripingmeth-od);另一種是正演法。

二、熱史模擬

熱史模擬的目的是模擬盆地古地溫史和古地熱史。古地溫對沉積物的成岩以及成礦作用起著十分重要作用，各種岩石化學變化和礦物轉化都是以環境的溫度為重要條件，比如，有機質生烴轉化過程中，地溫就是決定性的因素。

有關盆地熱歷史的研究方法已在第五章中討論，這些方法主要是依賴於測試資料來反推古地溫，如利用有機質成熟度指標、牙形石色變指數、裂變徑跡法及流體包裹體等指標推算古地溫。本節重點介紹利用熱力學原理進行盆地熱史模擬的方法，目前最常見的有兩種：一種是地球熱力學方法；另一種是熱指標反演法。

三、有機質轉化史模擬

有機質轉化史即生烴史模擬包括兩部分內容，即有機質成熟度史和烴類生成史。有機質轉化史模擬為盆地油氣資源遠景評價提供定量的依據，它是排烴史和運移聚集史模擬的基礎。

四、盆地流體模擬

盆地流體流動是盆地動力學背景、構造、沉積充填、熱史綜合作用的結果(Garven，1989，1995)。盆地流體模擬的目的就是要再現盆地演化過程中流體活動規律，包括盆地演化過程中沉積物物性、溫度場、壓力場以及流體流動速度、流量、水 -岩相互作用速率等參數隨時間的變化(Bethke等，2001)，進而可為盆地內油氣運移和聚集、成礦流體運移和聚集提供依據。因此，盆地流體模擬是成礦流體或油氣運聚模擬的基礎(康永尚等，1999;解習農等，2003)，也是盆地內地質資源評價中必不可少的一個環節。

模擬系統

國外的盆地模擬軟體商品化程度較高，如TEMISPACK(法國石油研究院)、BasinMod(美國PlatteRiver公司)、PetroMod(德國有機地化研究所)等。 國內的盆地模擬軟體研發於上世紀90年代左右達到鼎盛，研發的相關軟體達10多種，如BASIMS(中國石油勘探開發研究院）、PRES(中海油研究中心)、BIAS(原地球軟體公司)、GEMDASS及PASS等。 目前國內還在進一步研發的基本只剩下BASIMS。就盆地模擬商品化軟體的總體水平來說，國內與國外相比存在著差距，尚須不斷努力攻關。

發展方向

盆地數值模擬技術在近十幾年以來發展極為迅速，而且進展也很快。盆地模擬技術的廣泛套用使得盆地分析朝著定量化、動態化和繪圖自動化方向發展。現今盆地模擬技術已不僅僅是地質過程的表達形式，而且是對各種動力學參數研究的不可缺少的手段。因而，受到盆地分析專家和石油地質學家的廣泛重視。

20多年來，盆地模擬技術在推動盆地分析和石油地質定量化等方面業已發揮了巨大的作用，在本世紀盆地模擬技術仍然具有廣闊的發展前景。隨著勘探技術的發展，人們對地殼演化和盆地成礦作用機理的認識必將大大加深。近年來，盆地模擬的最新進展主要體現在以下幾方面：

(一)盆地充填過程模擬

盆地充填過程模擬涉及盆地沉降、沉積基準面變化、沉積物壓實、沉積過程和沉積體形態的定量描述。目前，有關盆地充填過程模擬的技術路線和方法較多，其選擇取決於模擬的目的和尺度。Tetzlaff等(1986)和 Bitzer等(1987)採用水動力學方法模擬沉積物的搬運、分散和堆積過程的模擬;而盆地充填巨觀過程及沉積層序幾何形 態模擬多 數採用幾何學 方法(Lawrence等，1987;Douglas，1991;林暢松等，1995)。層序地層模擬是近十年來發展起來的一項新興的技術，通過計算機模擬既可以加深對層序發育和構成特徵的認識，揭示層序形成演化的控制因素，又可以定量分析沉積體系和沉積相的空間分布，並對主要骨架砂體進行有效的預測。

(二)盆地流體定量模擬

盆地流體是以往研究最為薄弱、難度最大的部分。在 20世紀 80年代，人們遵循流體運動的達西定律和質量守恆定律編制一系列盆地流體的軟體，如：1986年美國伊利諾伊大學地質系利用有限差分法推出了二維盆地流體模擬軟體———BASIN2。這些模擬軟體多數利用數值模擬技術模擬盆地演化成程中沉積物物性、溫壓場以及流體流動速度、流量等參數隨時間的變化。盆地流體既是油氣運移、聚集的載體，也是其他成礦流體的載體。所模擬的古水動力場及演化特徵可以作為其他模擬研究的基礎，比如水 -岩相互作用過程模擬、與地下水活動相關的生物作用過程模擬等。近年來在該領域的發展也逐漸從單一模型向流體動力學過程與水 -岩相互作用的化學動力學過程結合的系統動力學模型的發展。

三）成藏動力學模擬

含油氣系統和成藏動力學是油氣地質領域最新進展。含油氣系統是盆地內相對獨立的油氣生、運、聚單元；油氣成藏動力學過程強調了由溫度、壓力和有效受熱時間控制的油氣生成的化學動力學過程以及由水動力和流體勢控制的油氣運聚的流體動力學過程。近年來，在原有五史模型（地史、熱史、生烴史、排烴史和運移聚集史）基礎上得到了更大的發展。其突出體現從二維模型向三維模型、從單相流體向多相流體運移、從簡單模型向較完善的動力學模型的發展。

作為長期的技術難題， 盆地模擬在模擬算法精確求解、對斷層和成岩作用等地質因素的考慮、油氣運移的間歇式突變過程恢復、古水動力學過程重建等諸多方面面臨著困難與挑戰。而加強對三維地質屬性建模與構造建模技術的套用、實行符合地質規律的油氣運聚法則引導下的分關鍵階段互動模擬，將是今後盆地模擬技術發展的主要方向。此外，將油氣地質學、數學地質、計算機等學科的最新進展和新技術融入盆地模擬，也會大大促進該項技術的進步。