苑 坤,陳彬滔,于興河,李勝利

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

盆地模擬技術(shù)與 BasinMod軟件應(yīng)用

苑 坤,陳彬滔,于興河,李勝利

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

盆地模擬是含油氣盆地勘探評(píng)價(jià)的重要技術(shù)方法之一。BasinMod盆地模擬軟件是用 C++Builder4.0開(kāi)發(fā)研制的微機(jī)版盆地模擬軟件。應(yīng)用BasinMod軟件能夠進(jìn)行埋藏史、熱史、生排烴史、油氣運(yùn)聚史的模擬和油氣資源量估算。埋藏史模擬現(xiàn)已開(kāi)通壓實(shí)回剝法,熱史模擬已開(kāi)通地溫梯度法,生排烴史模擬已開(kāi)通烴產(chǎn)率法和化學(xué)動(dòng)力學(xué)法,油氣運(yùn)聚史模擬已開(kāi)通運(yùn)載層吸附油氣散失模型法,資源量估算已開(kāi)通排聚系數(shù)法。BasinMod盆地模擬軟件具有W indows圖形用戶界面,用戶可以通過(guò)對(duì)話框進(jìn)行軟件操作,操作簡(jiǎn)單靈活,使用方便。

地質(zhì)模型;模擬系統(tǒng);盆地模擬;資源評(píng)價(jià)

1 盆地模擬系統(tǒng)的發(fā)展

盆地模擬技術(shù)研究已有近 30年的歷史。盆地模擬技術(shù)的發(fā)展是石油地質(zhì)定量研究發(fā)展的必然結(jié)果。早在 1940年,美國(guó)學(xué)者 M.K.Hubbert就提出了流體勢(shì)的概念,并運(yùn)用該概念較全面地描述了地下流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。1954年,前蘇聯(lián)學(xué)者烏斯賓斯基提出了煤產(chǎn)氣量的物質(zhì)平衡計(jì)算方法。1969年法國(guó)學(xué)者 Tissot等根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)定律提出了計(jì)算生烴量的計(jì)算模型;1978年,Tissot和德國(guó)學(xué)者Welte聯(lián)合提出了有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為烴類的熱化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型及其計(jì)算方法。以上理論方法的提出為后來(lái)的盆地模擬技術(shù)及軟件的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)[1]。

盆地模擬技術(shù)及軟件的發(fā)展大致可以分為試驗(yàn)性應(yīng)用、實(shí)際應(yīng)用階段和集成與三維可視化三個(gè)階段 (表 1)。

試驗(yàn)性應(yīng)用階段主要發(fā)生在 20世紀(jì) 80年代。1978年,世界上第一個(gè)一維盆地模擬軟件系統(tǒng)的提出,1981年建立了一套較為完整的二維盆地模擬系統(tǒng)。從 1984年利用鏡質(zhì)組反射率確定古熱流方法的提出到 1987年油氣二次運(yùn)移聚集模型的建立,國(guó)內(nèi)各大石油研究機(jī)構(gòu)在吸收和借鑒國(guó)外技術(shù)和軟件的基礎(chǔ)上也開(kāi)發(fā)出各種實(shí)驗(yàn)性軟件,代表性的 SLBSS、BAS1、HYBSS。這個(gè)階段中 ,各種模擬技術(shù)和軟件都處于摸索階段,其實(shí)際應(yīng)用也受到了一定的限制,但其為盆地模擬系統(tǒng)的發(fā)展和不斷完善奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

自 20世紀(jì) 90年代開(kāi)始,盆地模擬技術(shù)及軟件的開(kāi)發(fā)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段,這也是盆地模擬技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期,軟件系統(tǒng)從開(kāi)發(fā)走向生產(chǎn)應(yīng)用。在這個(gè)階段,國(guó)內(nèi)外各種高水平商品化的軟件對(duì)科研和生產(chǎn)起到了極大的推進(jìn)作用[2]。

進(jìn)入 21世紀(jì)后,盆地模擬技術(shù)和軟件向集成化和三維模擬方向發(fā)展。其中具有代表性的是美國(guó)PRA公司在 2009年推出的 BasinMod2009,該軟件集成了 PRA的所有盆地模擬技術(shù)和軟件模塊,可以輕松的實(shí)現(xiàn)各種盆地模擬的平面、剖面和三維可視化操作,是盆地模擬技術(shù)和軟件真正走向集成化和三維的標(biāo)志。

表 1 盆地模擬技術(shù)及軟件開(kāi)發(fā)的歷史沿革Table 1 Historical outline of basin modeling techn iques and software development

2 模擬計(jì)算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及流程

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入

根據(jù)盆地模擬五史研究的需要以及含油氣系統(tǒng)分析的要求,需要收集整理以下基礎(chǔ)數(shù)據(jù):①地質(zhì)事件和類型,包括地層沉積、剝蝕和間斷等;②厚度用單井分層數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算,缺失厚度代表了沉積或剝蝕事件形成的剝蝕量;③地層年齡及不整合持續(xù)時(shí)間;④巖性:各鉆井的砂巖、粉砂巖、泥巖、碳酸鹽巖及火山巖厚度及其各自的百分比;⑤有機(jī)質(zhì)豐度,輸入各套地層平均有機(jī)碳含量;⑥干酪根類型:需要根據(jù)實(shí)測(cè)有機(jī)地化和有機(jī)巖石學(xué)資料進(jìn)行確定;⑦地溫資料:包括實(shí)測(cè)井溫、熱流值和總熱導(dǎo)率等;⑧其它各種有機(jī)地球化學(xué)參數(shù):包括鏡質(zhì)體反射率、孢粉顏色指數(shù)、熱解、生物標(biāo)志物參數(shù)等;⑨實(shí)測(cè)孔隙度;⑩各種巖石物性資料。(圖 1)

以單井為一個(gè)數(shù)據(jù)錄入體,把它們輸入所需的數(shù)據(jù)表格以供模擬計(jì)算,根據(jù)需要可對(duì)單井進(jìn)行模擬,也可分區(qū)塊進(jìn)行多井模擬。研究過(guò)程中應(yīng)盡可能收集區(qū)內(nèi)已有的實(shí)測(cè)資料,以獲得精確的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)所得資料情況,為了達(dá)到研究目的,輸入每口井各地層中的各種巖性百分比,再根據(jù)單一巖性的原始孔隙度,壓實(shí)特征、密度、粒度、熱導(dǎo)率和熱容,計(jì)算實(shí)際地層的上述參數(shù),如果有實(shí)測(cè)資料時(shí),用實(shí)測(cè)資料可對(duì)計(jì)算值進(jìn)行校正。

2.2 計(jì)算方法的選擇

1.儲(chǔ)層物性參數(shù)的計(jì)算方法

(1)孔隙度的計(jì)算

對(duì)油田來(lái)說(shuō),最有意義的孔隙度是有效孔隙度,因而計(jì)算有效孔隙度,公式如下:

φ＊:有效孔隙度;φ:孔隙度;S0:比表面。

(2)滲透率的計(jì)算

多數(shù)使用修正的 Kozeny-Carman法,該方法適用于計(jì)算低滲透性巖層的滲透率,比如壓實(shí)良好的泥頁(yè)巖。當(dāng)孔隙度大于 10%時(shí),采用公式:

圖 1 盆地模擬流程圖Fig.1 Workflow of basin modeling

對(duì)具體的地區(qū),選用有針對(duì)性的計(jì)算方法對(duì)模擬的效果會(huì)起到很大的作用[3]。

2.熱流的計(jì)算方法

熱史是成熟度和動(dòng)力學(xué)模擬的關(guān)鍵,成熟作用與化學(xué)反應(yīng)速度隨溫度呈指數(shù)增加,而隨時(shí)間則線性增加。

熱史可用地溫梯度、熱流或井底溫度資料來(lái)進(jìn)行模擬。為了重建熱史,必須考慮它如何隨時(shí)間變化。如對(duì)裂谷盆地而言,在其形成后的幾個(gè)百萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱變化非常之大,通常用熱流建立的模型比較接近實(shí)際,這樣能夠較好地重建地溫梯度隨時(shí)間的變化,但用地溫梯度計(jì)算溫度時(shí)沒(méi)有考慮巖石的熱導(dǎo)率[4]。

井溫是最容易獲得的資料,由于實(shí)測(cè)溫度通常低于真實(shí)溫度,只有對(duì)測(cè)溫資料進(jìn)行校正后,才能計(jì)算今熱流或今地溫梯度,在沒(méi)有古地溫資料的情況下,用今地溫資料也可以近似地重建研究區(qū)的熱史。

熱流的計(jì)算方法有兩種,一是穩(wěn)態(tài)熱流,二是瞬變熱流。穩(wěn)態(tài)熱流比較簡(jiǎn)單,用下列關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算:

熱流 =熱導(dǎo)率 ×地?zé)崽荻?即 Q=kdT/dt

其中,Q:熱流生成率;k:熱導(dǎo)率;T:溫度;t:時(shí)間。

瞬變熱流法為完全不同的模型,它考慮了不同巖石單元的熱容、熱流的瞬間變化不會(huì)引起熱結(jié)構(gòu)的瞬變,但將隨時(shí)間緩慢變化,這種變化取決于巖石的熱容或熱延遲性,模擬熱流用瞬變擴(kuò)散方程結(jié)合能量守恒定律進(jìn)行計(jì)算,其熱變換方程為:

d[kdt/dz+Q]/dz=cdT/dt

式中 T:溫度;k:熱導(dǎo)率;Q:熱流生成率;c:熱容;t:時(shí)間。

3.生烴參數(shù)的計(jì)算方法

鏡質(zhì)體反射率是最常用的成熟度指標(biāo)之一,在陸相沉積中用得尤為普遍。TTI法計(jì)算成熟度假設(shè)溫度每增加 10℃,反應(yīng)速度增加 1倍。TTI與 Ro之間的換算不同學(xué)者有不同的認(rèn)識(shí),代表性的學(xué)者有Goff,Hood等 ,Issler,Royder,Waples或 Dykstra等 ,轉(zhuǎn)化率有時(shí)可比鏡質(zhì)體反射率更精確地指示成熟度,轉(zhuǎn)化率是指已生成的烴與總生烴潛力的比值,它與成熟度之間有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系,在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)討論中均用干酪根的轉(zhuǎn)化率來(lái)表示成熟度,不同干酪根類型的轉(zhuǎn)化率所對(duì)應(yīng)的 Ro不同。[5]

化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法考慮原始干酪根的組成變化和分布,它計(jì)算有機(jī)質(zhì)降解成烴過(guò)程中的多個(gè)平行反應(yīng),每個(gè)反應(yīng)有各自的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、反應(yīng)級(jí)別 (具特別活化能的干酪根含量)、活化能、Arrhenius常數(shù)或頻率因子?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)方法還考慮不同干酪根類型的生油潛能變化,因此能定量研究烴類的形成,轉(zhuǎn)化率代表了已轉(zhuǎn)化的干酪根與總生烴潛力的比值,簡(jiǎn)化后的動(dòng)力學(xué)方程同時(shí)把干酪根轉(zhuǎn)變成油和氣 (4組分模型),油經(jīng)過(guò)二次裂解形成氣和殘余物質(zhì)。盡管不能完全逼近發(fā)生在烴類形成過(guò)程的一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),但它卻提供了一個(gè)易于實(shí)施的合理途徑。

4.排烴參數(shù)的計(jì)算方法

排烴是烴類從源巖進(jìn)入輸導(dǎo)層的過(guò)程,即初次運(yùn)移,可用三種方法來(lái)確定排烴時(shí)間和排烴量:(1)建立油氣形成所對(duì)應(yīng)鏡質(zhì)體反射率與排烴效率間的聯(lián)系;(2)建立轉(zhuǎn)化率與排烴效率間的聯(lián)系;(3)根據(jù)烴飽和度來(lái)確定。通常使用第一種方法進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)不同成熟度階段 (%Ro)形成油氣的量來(lái)計(jì)算源巖中排出烴的量。研究表明,幾乎所有形成的氣都能排出,而只有 95%的油能夠排出,在某一反射率值時(shí),排烴效率與生烴量的積獲得排烴量,排烴效率隨源巖豐度而變化,富含有機(jī)質(zhì)的源巖排烴效率較高。從源巖到輸導(dǎo)層的途徑同樣影響排烴效率,薄源巖層或裂隙發(fā)育的脆性巖層的排烴效率比厚源巖層要高[3]。

5.有關(guān)成熟度指標(biāo)的計(jì)算方法

①鏡煤反射率:鏡煤反射率 (%Ro)是沉積物有機(jī)質(zhì)中的高等植物所派生的鏡質(zhì)體顆粒的反射系數(shù)。為計(jì)算成熟度,采用 LLNL開(kāi)發(fā)的 EASY%Ro模型,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型,以%Ro來(lái)衡量成熟度。采用公式為%Ro=12exp[-3.3(H/C)]-(O/C)

②Tmax:在進(jìn)行巖石的演化分析期間,樣品中的殘留干酪根可轉(zhuǎn)成烴類并進(jìn)行檢測(cè),Tmax是檢測(cè)轉(zhuǎn)化率最大的溫度,依據(jù)的時(shí)間溫度指數(shù) TTI與鏡煤反射率 Ro之間的關(guān)系,以可計(jì)算出 Tmax。

③轉(zhuǎn)化率的計(jì)算:在衡量有機(jī)質(zhì)成熟度時(shí),轉(zhuǎn)化率有時(shí)候比 Ro更為準(zhǔn)確,轉(zhuǎn)化率與 Ro之間有著直接關(guān)系,采用公式%Ro=exp(-1.6+3.145TR)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)化率 TR。[5]

圖 2 BasinMod軟件模塊構(gòu)成圖Fig.2 Module structures of the BasinMod software

3 盆地模擬軟件結(jié)構(gòu)與功能

3.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

操作系統(tǒng):W indows 98/NT4.0/XP

開(kāi)發(fā)平臺(tái):Borland C++Builder 4.0

3.2 BasinMod軟件結(jié)構(gòu)

BasinMod軟件主要有三部分模塊構(gòu)成:主控模塊部分、參數(shù)定義模塊部分和模擬處理模塊部分。(圖2)

3.3 BasinMod軟件功能

BasinMod軟件主要能進(jìn)行單井埋藏史、熱史和一維擬三維的埋藏史、熱史、生排烴史和油氣運(yùn)聚史模擬。

(1)埋藏史模擬

埋藏史模擬主要根據(jù)各單井或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)今殘余厚度及各地層孔隙度壓實(shí)曲線計(jì)算出各單井或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的各模擬層的骨架厚度、在各埋藏史時(shí)期的古埋深[6]。

埋藏史模擬的輸人輸出數(shù)據(jù)描述如下:

(2)熱史模擬

熱史模擬主要在埋藏史模擬的基礎(chǔ)上,考慮地溫或熱流的變化,計(jì)算出各烴源層在各埋藏史時(shí)期的鏡質(zhì)體反射率 (Ro)的變化。不同的熱史模擬方法,其計(jì)算過(guò)程不同?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)法需要一套完整的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù);TTI法需要確定 TTI模型、Ro與TTI經(jīng)驗(yàn)方程。

熱史模擬的輸人輸出數(shù)據(jù)描述如下:(3)生排烴史模擬

生烴史模擬主要在上述埋藏史模擬、熱史模擬的基礎(chǔ)上計(jì)算各烴源巖在各埋藏史時(shí)期的階段生烴量及總生烴量;排烴史模擬主要是計(jì)算出各烴源巖在各埋藏史時(shí)期的階段排烴量及總排烴量。

生排烴史模擬的輸人輸出數(shù)據(jù)描述如下:

(4)油氣運(yùn)聚史模擬油氣運(yùn)聚史模擬主要根據(jù)流體勢(shì)和油氣運(yùn)移散失模型在埋藏史和排烴史模擬的基礎(chǔ)上,計(jì)算出各烴源層 (或油氣系統(tǒng))的可供聚集量,并進(jìn)一步估算出各油氣系統(tǒng)能夠形成的油氣資源量。油氣運(yùn)聚史模擬的輸入輸出數(shù)據(jù)描述如下:

(5)與 Surfer軟件接口

BasinMod軟件提供了與 Surfer軟件的接口,可以對(duì)模擬形成的中間結(jié)果、最終結(jié)果數(shù)據(jù)體進(jìn)行分解,形成各類圖形數(shù)據(jù)體,并在 Surfer軟件上繪制各種等值圖,如各模擬層各埋藏史時(shí)期的古埋深、各烴源層在各埋藏史時(shí)期的 Ro、各烴源層在各埋藏史時(shí)期的生排烴強(qiáng)度等。借助 Surfer軟件,實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果快速直觀顯示,便于模擬調(diào)參。

(6)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

主要對(duì)各烴源巖各單元在各埋藏史時(shí)期的生排烴量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出各種有關(guān)生排烴的統(tǒng)計(jì)表,如各烴源巖總的生排烴量表、各構(gòu)造單元總的生排烴量表、各模擬階段總的生排烴量表,以及分區(qū)分層的生排烴表等[7]。

圖 3 冀中坳陷蠡縣斜坡含油氣系統(tǒng)事件圖Fig.3 Historical events in the petroleum systems on the Lixian slope in central Hebei

4 BasinMod軟件應(yīng)用

BasinMod盆地模擬軟件是本著實(shí)用的原則,邊開(kāi)發(fā)邊應(yīng)用的軟件。從 1995年至今,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于幾大盆地及其特定區(qū)帶的油氣資源評(píng)價(jià),指導(dǎo)了相關(guān)盆地區(qū)帶的石油地質(zhì)勘探工作,并取得了豐碩的成果。

BasinMod軟件已經(jīng)在新各田公司得到廣泛應(yīng)用。該軟件在《盆地模擬技術(shù)在冀中坳陷斜坡帶的應(yīng)用及分析》、《盆地模擬技術(shù)在洪澤凹陷的應(yīng)用》、《塔里木盆地孔雀河地區(qū)單井盆地模擬分析》、《準(zhǔn)噶爾盆地南緣前陸盆地中—新生代沉降埋藏史模擬》的盆地分析模擬部分得到了大量的運(yùn)用,再現(xiàn)了以上盆地 (區(qū)塊)的地層埋藏史、烴源巖的熱演化史、烴源巖的生烴史和排烴史、油氣運(yùn)聚史[8]。

在“冀中坳陷斜坡帶成藏機(jī)理與油氣富集規(guī)律研究”有項(xiàng)目中,使用 BasinMod完成了盆地模擬部分的工作,總結(jié)了冀中坳陷蠡縣斜坡含油氣系統(tǒng)事件 (圖 3),以含油氣系統(tǒng)理論為指導(dǎo),在盆地模擬及資源評(píng)估基礎(chǔ)上,開(kāi)展多地質(zhì)信息疊加技術(shù),進(jìn)行區(qū)帶評(píng)價(jià),指出有利的油氣勘探區(qū)帶,劃分出三類有利區(qū),并取得了很好的效果。

[1] 張慶春、石廣仁、田在藝.盆地模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2001,9(3):312-317.

[2] 郭秋麟、米石云、石廣仁,等.盆地模擬原理方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[3] 王曉紅、萬(wàn)侖坤、米石云.盆地綜合模擬系統(tǒng)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.

[4] 王緒龍、楊海波、錢永新.盆地模擬技術(shù)與 JunMod盆地模擬軟件[J].石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2001,2(3):24-28.

[5] 王文霞、李新寧.盆地模擬技術(shù)在吐哈盆地的應(yīng)用及分析[J].吐哈油氣,2005,12(4):308-311.

[6] 張渝昌、徐旭輝、江興歌,等.展望盆地模擬[J].石油與天然氣地質(zhì),2005,2(1):29-36.

[7] 楊海波、蘭文芳.準(zhǔn)噶爾盆地南緣盆地模擬—PRA盆地模擬軟件應(yīng)用[J].新疆石油地質(zhì),1999,2(20):58-75.

[8] 鄔冬茹.盆地模擬技術(shù)在洪澤凹陷的應(yīng)用[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2003,2(25):87-92.

[9] 林玉祥.論低熟油烴產(chǎn)率模型[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2001,23(1):87-92.

[10] 石廣仁,郭秋麟,米石云,等.盆地綜合模擬系統(tǒng) BAS IMS

[J].石油學(xué)報(bào),1996,17(1):1-9.

Basin model ing techniques and application of the BasinMod software

YUAN Kun,CHEN Bin-tao,YU Xing-he,L I Sheng-li
(China University of Geosciences,Beijing100083,China)

Basin modeling has long been employed as an important technique in the exploration and assessment of petroleum basins.The BasinMod2009 sof tware developed by PRA Corporation in 2009 is introduced in the present paper to the modeling of burial history by means of backstripping compaction method,thermal history with the aid of geothermal gradientsmethod,hydrocarbon generation on the basisof the methodsof hydrocarbon production rates and chemical kinetics,hydrocarbon migration and accumulation according to the loss patterns of the absorbed oil and gas in the migratory beds,and estimation of oil and gas resources in the light of expulsion-accumulation coefficientsmethod.It can be seen that the newly-developed software hasmany advantages of planar,sectional and three-dimensionalmodeling of various basins.

geologicalmodel;modeling system;basin modeling;resource assessment

1009-3850(2010)02-0055-06

2009-07-20;改回日期2009-10-11

苑坤 (1985-),男,碩士研究生,礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)。E-mail:cheerlist@163.com

TE121.1+5

A