盆地模擬技術在烴源巖熱演化實驗教學中的應用

劉景東, 蔣有錄, 張衛海

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 山東 青島 266580)

烴源巖熱演化是在溫度、時間等因素影響下,有機質向油氣轉化的過程,它是本科生“石油天然氣地質與勘探”和研究生“高等石油地質學”教學中的重要內容。研究烴源巖有機質熱演化史、確定有機質演化生烴階段,對于分析油氣生成、運移、聚集過程和油氣資源評價都具有重要意義。以往關于烴源巖熱演化史的實驗教學主要包括直接根據地球化學數據來劃分烴源巖有機質熱演化階段[1]和通過時間—溫度指數(TTI值)的計算來分析烴源巖熱演化史[2-3],這2種實驗對于加深油氣成因理論及其研究方法的理解和掌握具有一定的意義,但在實驗分析過程中,由于計算過程繁瑣,學生將大部分的時間耗費在了相關數據的計算和處理上,對理論知識的理解和應用效果并不理想。

隨著現代計算機技術的高速發展,油氣地質界出現了多種基于真實地質模型和油氣成因機理的盆地模擬技術[4-5],能夠用于快速地進行烴源巖熱演化史分析,并且在科學研究中已經取得良好的實踐效果,但這些新的技術方法在大學生實驗教學中還很少涉及。因此,在教學改革中,有必要將這些新的實驗技術引入到課程的教學環節,以達到鞏固理論知識、接觸技術發展前沿、熟悉實際研究與工程應用等目標。本文結合目前業界流行的盆地模擬技術,根據“石油天然氣地質與勘探”課程教學目標與學生學習特點,設計了基于德國有機地化研究所IES盆地模擬技術的烴源巖熱演化實驗,對于培養學生學習興趣、提高學生專業素養和創新能力都有很大的幫助。

1 盆地模擬技術

盆地模擬技術是70年代末發展起來的,它推動了石油地質的模型化、定量化的發展,是當今世界石油勘探定量化研究的先進技術,在石油地質綜合研究中發揮了重要的作用[6-7]。它是從石油地質的物理化學機理出發,利用地質、地球物理、地球化學、熱力學等學科的理論知識,將概念模型轉化為數學模型,定量恢復盆地的地質發育史、烴類生成史、運移史和聚集史。目前常用的盆地模擬軟件技術包括德國有機地化研究所(IES)的PetroMod模擬技術、美國Platte River公司的BasinMod模擬技術和法國石油研究院(IFP)的Temispack模擬技術,三者其實并無本質區別,但各有其優勢。

2 方法模型

盆地模擬一般包含5個成因聯系的模型,即地史、熱史、生烴史、排烴史和運聚史[6]。地史包括構造演化史、沉降埋藏史和沉積發育史；熱史包括盆地熱流史和地溫史；生烴史包括有機質成熟度史和油氣生成量史；排烴史即油氣初次運移史；運聚史指油氣二次運移和聚集史。每個模型都是建立在輸入參數以及前面模型的計算結果基礎上。烴源巖熱演化史模擬，是在地史、熱史模型基礎上建立的有機質成熟度史，因此,地史、熱史模型的準確性直接影響熱模擬實驗的結果,實驗教學過程中需要對地史、熱史模型進行分析。

2.1 地史模型

地史模型是盆地模擬的基礎,也是進行盆地恢復的重要內容。沉積史和構造史本身也具有很大的地質意義,在地史模型的恢復過程中要盡可能地考慮構造與負荷沉降、沉積壓實、剝蝕與沉積間斷等各種地質事件的影響。地史模擬的關鍵是考慮壓實校正來恢復地層的古厚度。目前用于壓實校正的數學模型主要是基于以下假設:

(1) 壓實過程中,地層骨架體積不變,地層體積變小是由于地層孔隙體積變小；

(2) 壓實過程中,地層橫向寬度不變,僅縱向厚度變小；

(3) 地層壓實程度由埋深決定,具不可逆性。

常用的壓實模型是前人基于正常壓力提出的孔隙度-深度關系方程[6]:

φ=φ0exp(-cz)

(1)

式中,φ為埋深z時的孔隙度(%)；φ0為地表孔隙度(%)；c為壓實系數(1/m),巖性不同其取值不同；z為地層埋深(m)。

2.2 熱史模型

熱史模型的主要功能是描述和建立含油氣盆地的古熱流史和古地溫史,從而為生烴史模擬提供溫度場。該模型的熱史恢復一般是假定古熱流已知的情況下獲得模擬結果,進而結合實測參數(鏡質體反射率或溫度)對古熱流進行校正,從而獲得合適的熱史模型。

2.3 成熟度史模型

目前被廣泛認可的成熟度史模型是Easy%Ro模型,該模型是美國LLNL(Lawrence Livermore National Laboratories)實驗室的Sweeney & Burnham(1990)對VITRIMAT模型的簡化[8]。其過程是利用熱史模型獲得的古地溫史,計算出反應程度Fk,然后代入Easy%Ro模型求出Ro史(公式如下)。該模型也是IES模擬技術中默認的成熟度史模型之一,因此在應用時較為簡便。

Ro=exp(-1.6+3.7Fk)

(2)

(tk-tk-1)/(Tk-Tk-1)]}

(3)

Iik=TkAexp(-Ei/RTk)

(4)

3 實驗流程

3.1 建立模擬井

在打開PetroMod 1D模塊前,建立模擬項目存放路徑；然后進入PetroMod 1D模塊,設置模擬井名稱。

3.2 模擬參數設置

烴源巖熱演化模擬所需的基礎參數包括地層地質年齡、分層數據、巖性數據、剝蝕厚度等,其中:地質年齡及分層數據通過區域及鉆井資料獲得；巖性數據由錄井資料獲得,若地層巖性為混合巖性,可根據砂巖、泥巖、粉砂巖等巖性比例,由Mixing模塊生成混合巖性；剝蝕厚度根據前人研究成果或通過剝蝕厚度計算來獲得。

另外,烴源巖熱演化模擬的關鍵還在于邊界條件的設置,包括古水深(PWD)、古地表溫度(SWIT)和古熱流值(HF),這些參數主要基于前人的區域研究成果。

在獲得上述參數后,在PetroMod 1D的“Input”模塊中,輸入模擬井地層的層位名稱、地質年齡、地層厚度、剝蝕厚度、巖性類型等參數；在“Boundary Assignment”模塊中,輸入古水深(PWD)、沉積水表面溫度(SWIT)以及古熱流(HF)數據。

3.3 標定井建立及標定數據輸入

打開“Well Editors”模塊,首先建立標定井,輸入井名、井位坐標等信息。進而選擇標定井,打開“Calibration Data”對話框,選擇標定數據類型并將標定數據輸入到對話框中。

3.4 過程模擬與結果輸出

進入PetroMod 1D主頁面,打開“Output”模塊,開始過程模擬,模擬運行后,可以直接獲得溫度—埋深曲線、鏡質體反射率—埋深曲線以及埋藏史、溫度史、熱演化史等模擬結果。將上面步驟中設置的校正數據,加載到溫度—埋深曲線和鏡質體反射率—埋深曲線上,對比模擬結果與校正數據是否吻合,若不吻合,則重新審查輸入的各項參數是否準確,并對不準確的參數進行調整。調整參數后,再次運行模擬過程,并再次對比模擬結果與校正數據是否吻合,若不吻合則重復上述步驟,直到模擬結果較為理想為止。

4 實際應用

為使學生更全面地認識到造成烴源巖熱演化差異的原因,選取2口具有不同埋藏史的井,進行了烴源巖熱演化模擬的實驗教學。應用上述實驗方法在資源勘查工程專業的4個班級中進行了應用,發現學生能夠順利完成實驗參數的選取、實驗過程的實施及實驗結果的分析,實驗應用效果好。通過該實驗方法來分析烴源巖熱演化,不僅實驗結果的準確性高、圖形直觀,同時也大大節省了學生實驗的時間,能夠為學生留出更多的時間去對實驗過程和實驗結果進行思考分析,這不僅較大程度上提高了學生的專業能力,而且激發了學生的學習興趣、創新潛能與工程意識。另外,該實驗室的日常管理過程中,實驗平臺長期對學生開放,為學生的深入學習及開展與該實驗相關的創新訓練項目提供了有利條件。

5 結語

在當前計算機技術快速發展和高校亟須教學改革的背景下[9-12],將盆地模擬技術應用到烴源巖熱演化的實驗教學中,是對目前資源勘查工程專業實驗教學的一次突破。基于盆地模擬技術的實驗教學,極大地提高了學生的學習積極性,能夠很好地提高資源勘查工程專業的教學質量,增強學生對烴源巖演化生烴理論的全面認識,提高學生的動手和實際應用能力,培養學生的創新意識與工程意識。

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