盆地模擬技術與 BasinMod軟件應用

苑 坤,陳彬滔,于興河,李勝利

(中國地質大學,北京 100083)

盆地模擬技術與 BasinMod軟件應用

苑 坤,陳彬滔,于興河,李勝利

(中國地質大學,北京 100083)

盆地模擬是含油氣盆地勘探評價的重要技術方法之一。BasinMod盆地模擬軟件是用 C++Builder4.0開發研制的微機版盆地模擬軟件。應用BasinMod軟件能夠進行埋藏史、熱史、生排烴史、油氣運聚史的模擬和油氣資源量估算。埋藏史模擬現已開通壓實回剝法,熱史模擬已開通地溫梯度法,生排烴史模擬已開通烴產率法和化學動力學法,油氣運聚史模擬已開通運載層吸附油氣散失模型法,資源量估算已開通排聚系數法。BasinMod盆地模擬軟件具有W indows圖形用戶界面,用戶可以通過對話框進行軟件操作,操作簡單靈活,使用方便。

地質模型;模擬系統;盆地模擬;資源評價

1 盆地模擬系統的發展

盆地模擬技術研究已有近 30年的歷史。盆地模擬技術的發展是石油地質定量研究發展的必然結果。早在 1940年,美國學者 M.K.Hubbert就提出了流體勢的概念,并運用該概念較全面地描述了地下流體的運動狀態。1954年,前蘇聯學者烏斯賓斯基提出了煤產氣量的物質平衡計算方法。1969年法國學者 Tissot等根據化學動力學定律提出了計算生烴量的計算模型;1978年,Tissot和德國學者Welte聯合提出了有機質轉化為烴類的熱化學動力學模型及其計算方法。以上理論方法的提出為后來的盆地模擬技術及軟件的開發奠定了基礎[1]。

盆地模擬技術及軟件的發展大致可以分為試驗性應用、實際應用階段和集成與三維可視化三個階段 (表 1)。

試驗性應用階段主要發生在 20世紀 80年代。1978年,世界上第一個一維盆地模擬軟件系統的提出,1981年建立了一套較為完整的二維盆地模擬系統。從 1984年利用鏡質組反射率確定古熱流方法的提出到 1987年油氣二次運移聚集模型的建立,國內各大石油研究機構在吸收和借鑒國外技術和軟件的基礎上也開發出各種實驗性軟件,代表性的 SLBSS、BAS1、HYBSS。這個階段中 ,各種模擬技術和軟件都處于摸索階段,其實際應用也受到了一定的限制,但其為盆地模擬系統的發展和不斷完善奠定了堅實的理論基礎。

自 20世紀 90年代開始,盆地模擬技術及軟件的開發進入了實際應用階段,這也是盆地模擬技術發展的黃金時期,軟件系統從開發走向生產應用。在這個階段,國內外各種高水平商品化的軟件對科研和生產起到了極大的推進作用[2]。

進入 21世紀后,盆地模擬技術和軟件向集成化和三維模擬方向發展。其中具有代表性的是美國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和軟件模塊,可以輕松的實現各種盆地模擬的平面、剖面和三維可視化操作,是盆地模擬技術和軟件真正走向集成化和三維的標志。

表 1 盆地模擬技術及軟件開發的歷史沿革Table 1 Historical outline of basin modeling techn iques and software development

2 模擬計算所需基礎數據及流程

2.1 基礎數據的錄入

根據盆地模擬五史研究的需要以及含油氣系統分析的要求,需要收集整理以下基礎數據:①地質事件和類型,包括地層沉積、剝蝕和間斷等;②厚度用單井分層數據來計算,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時間;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有機質豐度,輸入各套地層平均有機碳含量;⑥干酪根類型:需要根據實測有機地化和有機巖石學資料進行確定;⑦地溫資料:包括實測井溫、熱流值和總熱導率等;⑧其它各種有機地球化學參數:包括鏡質體反射率、孢粉顏色指數、熱解、生物標志物參數等;⑨實測孔隙度;⑩各種巖石物性資料。(圖 1)

以單井為一個數據錄入體,把它們輸入所需的數據表格以供模擬計算,根據需要可對單井進行模擬,也可分區塊進行多井模擬。研究過程中應盡可能收集區內已有的實測資料,以獲得精確的計算結果。根據所得資料情況,為了達到研究目的,輸入每口井各地層中的各種巖性百分比,再根據單一巖性的原始孔隙度,壓實特征、密度、粒度、熱導率和熱容,計算實際地層的上述參數,如果有實測資料時,用實測資料可對計算值進行校正。

2.2 計算方法的選擇

1.儲層物性參數的計算方法

(1)孔隙度的計算

對油田來說,最有意義的孔隙度是有效孔隙度,因而計算有效孔隙度,公式如下:

φ＊:有效孔隙度;φ:孔隙度;S0:比表面。

(2)滲透率的計算

多數使用修正的 Kozeny-Carman法,該方法適用于計算低滲透性巖層的滲透率,比如壓實良好的泥頁巖。當孔隙度大于 10%時,采用公式:

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

對具體的地區,選用有針對性的計算方法對模擬的效果會起到很大的作用[3]。

2.熱流的計算方法

熱史是成熟度和動力學模擬的關鍵,成熟作用與化學反應速度隨溫度呈指數增加,而隨時間則線性增加。

熱史可用地溫梯度、熱流或井底溫度資料來進行模擬。為了重建熱史,必須考慮它如何隨時間變化。如對裂谷盆地而言,在其形成后的幾個百萬年時間內產生的熱變化非常之大,通常用熱流建立的模型比較接近實際,這樣能夠較好地重建地溫梯度隨時間的變化,但用地溫梯度計算溫度時沒有考慮巖石的熱導率[4]。

井溫是最容易獲得的資料,由于實測溫度通常低于真實溫度,只有對測溫資料進行校正后,才能計算今熱流或今地溫梯度,在沒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的熱史。

熱流的計算方法有兩種,一是穩態熱流,二是瞬變熱流。穩態熱流比較簡單,用下列關系式進行計算:

熱流 =熱導率 ×地熱梯度,即 Q=kdT/dt

其中,Q:熱流生成率;k:熱導率;T:溫度;t:時間。

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引起熱結構的瞬變,但將隨時間緩慢變化,這種變化取決于巖石的熱容或熱延遲性,模擬熱流用瞬變擴散方程結合能量守恒定律進行計算,其熱變換方程為:

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

式中 T:溫度;k:熱導率;Q:熱流生成率;c:熱容;t:時間。

3.生烴參數的計算方法

鏡質體反射率是最常用的成熟度指標之一,在陸相沉積中用得尤為普遍。TTI法計算成熟度假設溫度每增加 10℃,反應速度增加 1倍。TTI與 Ro之間的換算不同學者有不同的認識,代表性的學者有Goff,Hood等 ,Issler,Royder,Waples或 Dykstra等 ,轉化率有時可比鏡質體反射率更精確地指示成熟度,轉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應關系,在反應動力學討論中均用干酪根的轉化率來表示成熟度,不同干酪根類型的轉化率所對應的 Ro不同。[5]

化學動力學方法考慮原始干酪根的組成變化和分布,它計算有機質降解成烴過程中的多個平行反應,每個反應有各自的動力學參數、反應級別 (具特別活化能的干酪根含量)、活化能、Arrhenius常數或頻率因子。化學動力學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,轉化率代表了已轉化的干酪根與總生烴潛力的比值,簡化后的動力學方程同時把干酪根轉變成油和氣 (4組分模型),油經過二次裂解形成氣和殘余物質。盡管不能完全逼近發生在烴類形成過程的一系列復雜化學反應,但它卻提供了一個易于實施的合理途徑。

4.排烴參數的計算方法

排烴是烴類從源巖進入輸導層的過程,即初次運移,可用三種方法來確定排烴時間和排烴量:(1)建立油氣形成所對應鏡質體反射率與排烴效率間的聯系;(2)建立轉化率與排烴效率間的聯系;(3)根據烴飽和度來確定。通常使用第一種方法進行計算,根據不同成熟度階段 (%Ro)形成油氣的量來計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,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,富含有機質的源巖排烴效率較高。從源巖到輸導層的途徑同樣影響排烴效率,薄源巖層或裂隙發育的脆性巖層的排烴效率比厚源巖層要高[3]。

5.有關成熟度指標的計算方法

①鏡煤反射率:鏡煤反射率 (%Ro)是沉積物有機質中的高等植物所派生的鏡質體顆粒的反射系數。為計算成熟度,采用 LLNL開發的 EASY%Ro模型,這是一個動態模型,以%Ro來衡量成熟度。采用公式為%Ro=12exp[-3.3(H/C)]-(O/C)

②Tmax:在進行巖石的演化分析期間,樣品中的殘留干酪根可轉成烴類并進行檢測,Tmax是檢測轉化率最大的溫度,依據的時間溫度指數 TTI與鏡煤反射率 Ro之間的關系,以可計算出 Tmax。

③轉化率的計算:在衡量有機質成熟度時,轉化率有時候比 Ro更為準確,轉化率與 Ro之間有著直接關系,采用公式%Ro=exp(-1.6+3.145TR)來計算轉化率 TR。[5]

圖 2 BasinMod軟件模塊構成圖Fig.2 Module structures of the BasinMod software

3 盆地模擬軟件結構與功能

3.1 軟件開發環境

操作系統:W indows 98/NT4.0/XP

開發平臺:Borland C++Builder 4.0

3.2 BasinMod軟件結構

BasinMod軟件主要有三部分模塊構成:主控模塊部分、參數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、生排烴史和油氣運聚史模擬。

(1)埋藏史模擬

埋藏史模擬主要根據各單井或網格節點的現今殘余厚度及各地層孔隙度壓實曲線計算出各單井或網格節點的各模擬層的骨架厚度、在各埋藏史時期的古埋深[6]。

埋藏史模擬的輸人輸出數據描述如下:

(2)熱史模擬

熱史模擬主要在埋藏史模擬的基礎上,考慮地溫或熱流的變化,計算出各烴源層在各埋藏史時期的鏡質體反射率 (Ro)的變化。不同的熱史模擬方法,其計算過程不同。化學動力學法需要一套完整的化學動力學參數;TTI法需要確定 TTI模型、Ro與TTI經驗方程。

熱史模擬的輸人輸出數據描述如下:(3)生排烴史模擬

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

生排烴史模擬的輸人輸出數據描述如下:

(4)油氣運聚史模擬油氣運聚史模擬主要根據流體勢和油氣運移散失模型在埋藏史和排烴史模擬的基礎上,計算出各烴源層 (或油氣系統)的可供聚集量,并進一步估算出各油氣系統能夠形成的油氣資源量。油氣運聚史模擬的輸入輸出數據描述如下:

(5)與 Surfer軟件接口

BasinMod軟件提供了與 Surfer軟件的接口,可以對模擬形成的中間結果、最終結果數據體進行分解,形成各類圖形數據體,并在 Surfer軟件上繪制各種等值圖,如各模擬層各埋藏史時期的古埋深、各烴源層在各埋藏史時期的 Ro、各烴源層在各埋藏史時期的生排烴強度等。借助 Surfer軟件,實現模擬結果快速直觀顯示,便于模擬調參。

(6)模擬結果統計

主要對各烴源巖各單元在各埋藏史時期的生排烴量進行統計,得出各種有關生排烴的統計表,如各烴源巖總的生排烴量表、各構造單元總的生排烴量表、各模擬階段總的生排烴量表,以及分區分層的生排烴表等[7]。

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

4 BasinMod軟件應用

BasinMod盆地模擬軟件是本著實用的原則,邊開發邊應用的軟件。從 1995年至今,已經廣泛應用于幾大盆地及其特定區帶的油氣資源評價,指導了相關盆地區帶的石油地質勘探工作,并取得了豐碩的成果。

BasinMod軟件已經在新各田公司得到廣泛應用。該軟件在《盆地模擬技術在冀中坳陷斜坡帶的應用及分析》、《盆地模擬技術在洪澤凹陷的應用》、《塔里木盆地孔雀河地區單井盆地模擬分析》、《準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用,再現了以上盆地 (區塊)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、油氣運聚史[8]。

在“冀中坳陷斜坡帶成藏機理與油氣富集規律研究”有項目中,使用 BasinMod完成了盆地模擬部分的工作,總結了冀中坳陷蠡縣斜坡含油氣系統事件 (圖 3),以含油氣系統理論為指導,在盆地模擬及資源評估基礎上,開展多地質信息疊加技術,進行區帶評價,指出有利的油氣勘探區帶,劃分出三類有利區,并取得了很好的效果。

[1] 張慶春、石廣仁、田在藝.盆地模擬技術的發展現狀與未來展望[J].石油實驗地質,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:石油工業出版社,1998.

[3] 王曉紅、萬侖坤、米石云.盆地綜合模擬系統[M].北京:石油工業出版社,1998.

[4] 王緒龍、楊海波、錢永新.盆地模擬技術與 JunMod盆地模擬軟件[J].石油工業計算機應用,2001,2(3):24-28.

[5] 王文霞、李新寧.盆地模擬技術在吐哈盆地的應用及分析[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,2005,2(1):29-36.

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

[8] 鄔冬茹.盆地模擬技術在洪澤凹陷的應用[J].石油實驗地質,2003,2(25):87-92.

[9] 林玉祥.論低熟油烴產率模型[J].石油實驗地質,2001,23(1):87-92.

[10] 石廣仁,郭秋麟,米石云,等.盆地綜合模擬系統 BAS IMS

[J].石油學報,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,礦產普查與勘探專業。E-mail:cheerlist@163.com

TE121.1+5

A