盆地模拟技术与BasinMod软件应用

第 30卷 第 2期 2010年 6月 � � � � 沉 积 与 特 提 斯 地 质 � � � Sedim entary Geo logy and Te thyan Geo logy� � � Vo.l 30 No. 2 Jun. 2010 文章编号: 1009�3850( 2010) 02�0055�06 盆地模拟技术与 BasinM od软件应用 苑 � 坤, 陈彬滔, 于兴河, 李胜利 (中国地质大学, 北京 � 100083) 收稿日期: 2009�07�20; 改回日期: 2009�10�11 作者简介: 苑坤 ( 1985- ) ,男, 硕士研究生,矿产普查与勘探专业。 E�ma i:l cheerlist@ 163. com 摘要:盆地模拟是含油气盆地勘探的重要技术方法之一。Bas inM od盆地模拟软件是用 C + + Builde r4. 0开发 研制的微机版盆地模拟软件。应用 BasinM od软件能够进行埋藏史、热史、生排烃史、油气运聚史的模拟和油气资源 量估算。埋藏史模拟现已开通压实回剥法, 热史模拟已开通地温梯度法, 生排烃史模拟已开通烃产率法和化学动力 学法,油气运聚史模拟已开通运载层吸附油气散失模型法,资源量估算已开通排聚系数法。 BasinM od盆地模拟软件 具有W indow s图形用户界面, 用户可以通过对话框进行软件操作, 操作简单灵活,使用方便。 关 � 键 � 词:地质模型 ;模拟系统; 盆地模拟;资源评价 中图分类号: TE121. 1+ 5 文献标识码: A 1� 盆地模拟系统的发展 盆地模拟技术研究已有近 30年的历史。盆地 模拟技术的发展是石油地质定量研究发展的必然结 果。早在 1940年, 美国学者 M. K. Hubbert就提出 了流体势的概念,并运用该概念较全面地描述了地 下流体的运动状态。1954年, 前苏联学者乌斯宾斯 基提出了煤产气量的物质平衡计算方法。 1969年 法国学者 T issot等根据化学动力学定律提出了计算 生烃量的计算模型; 1978年, T issot和德国学者 W elte联合提出了有机质转化为烃类的热化学动力 学模型及其计算方法。以上理论方法的提出为后来 的盆地模拟技术及软件的开发奠定了基础 [ 1 ]。 盆地模拟技术及软件的发展大致可以分为试验 性应用、实际应用阶段和集成与三维可视化三个阶 段 ( 1)。 试验性应用阶段主要发生在 20世纪 80年代。 1978年, 世界上第一个一维盆地模拟软件系统的提 出, 1981年建立了一套较为完整的二维盆地模拟系 统。从 1984年利用镜质组反射率确定古热流方法 的提出到 1987年油气二次运移聚集模型的建立,国 内各大石油研究机构在吸收和借鉴国外技术和软件 的基础上也开发出各种实验性软件, 代表性的 SLB� SS、BAS1、HYBSS。这个阶段中, 各种模拟技术和软 件都处于摸索阶段, 其实际应用也受到了一定的限 制,但其为盆地模拟系统的发展和不断完善奠定了 坚实的理论基础。 自 20世纪 90年代开始, 盆地模拟技术及软件 的开发进入了实际应用阶段,这也是盆地模拟技术 发展的黄金时期, 软件系统从开发走向生产应用。 在这个阶段,国内外各种高水平商品化的软件对科 研和生产起到了极大的推进作用 [ 2]。 进入 21世纪后,盆地模拟技术和软件向集成化 和三维模拟方向发展。其中具有代表性的是美国 PRA公司在 2009年推出的 BasinM od2009, 该软件 集成了 PRA的所有盆地模拟技术和软件模块, 可以 轻松的实现各种盆地模拟的平面、剖面和三维可视 化操作,是盆地模拟技术和软件真正走向集成化和 三维的标志。 沉 积 与 特 提 斯 地 质 ( 2) 表 1� 盆地模拟技术及软件开发的历史沿革 Tab le 1� H istorical ou tline of basin m odeling techn iques and software developm en t 研究内容 国外 国内时间 石油公司或研究机构 创新及意义 时间 石油公司或研究机构 创新及意义 试验性阶段 1978年 西德 Jurich公司石油 与有机地球化学研究 所 建立了世界上第一个 盆地模拟系统 1980年 胜利油田 形成了我国第一套 盆地模拟软件系统 ( SLBSS) 1981年 日本 Japex石油勘探有限公司 建立了简化的二维盆 地模拟系统 1984年 法国 IFP石油研究院 建立了较完整的二维盆地模拟系统 美国 Sou th C arolina 大学地球科学系 提出了用镜质体反射 率确定古热流的方 法,打破了以往单纯 使用地球热力学法的 传统 1987年 英国 BP石油公司 提出了关于油气二次运移聚集的二维模型 1988年 日本 Japex石油公司 与美 Sou th C arolina 大学 在原简化模型基础上 建立了较完整的二维 盆地模拟系统 1989年 北京石油勘探开发科 学研究院 推出了具有自主版 权的一维盆地模拟 系统 ( BAS1) 中国海洋石油勘探开 发研究中心 推出了一维盆地模 拟系统 ( HYBSS ) 实际应用阶段 20世纪 90年代 各大石油公司与大学 及科研机构合作共同 开发 软件系统由早期的剖 面二维向平面二维和 三维模型发展 1990年 北京石油勘探开发科 学研究院 推出了二维盆地模 拟图形工作站系统 ( BMWS ) 中国海洋石油勘探开 发研究中心与吉林大 学 推出油气资源评价 专家系统 ( PRES ) , 在海上油气资评中 得到广泛应用 1996年 北京石油勘探开发科 学研究院 推出了全新的、具有 国际版权的盆地综 合 模 拟 系 统 ( BASIMS ) 中国海洋石油勘探开 发研究中心与美 UC B erk eley大学等 开发了以二维模型 为核心的盆地模拟 系统 ( ProBases) 集成与三维 可视化阶段 21世纪 以美国 PRA公司研发的 BasinM od2009软件为代表 2� 模拟计算所需基础数据及流程 2. 1� 基础数据的录入 根据盆地模拟五史研究的需要以及含油气系统 的要求,需要收集整理以下基础数据: � 地质 事件和类型,包括地层沉积、剥蚀和间断等; 厚度 用单井分层数据来计算, 缺失厚度代表了沉积或剥 蚀事件形成的剥蚀量; ! 地层年龄及不整合持续时 间; ∀岩性:各钻井的砂岩、粉砂岩、泥岩、碳酸盐岩 及火山岩厚度及其各自的百分比; #有机质丰度,输 入各套地层平均有机碳含量; ∃干酪根类型:需要根 据实测有机地化和有机岩石学资料进行确定; %地 温资料:包括实测井温、热流值和总热导率等; &其 它各种有机地球化学参数:包括镜质体反射率、孢粉 颜色指数、热解、生物标志物参数等; ∋实测孔隙度; (各种岩石物性资料。 (图 1) 以单井为一个数据录入体, 把它们输入所需的 数据以供模拟计算,根据需要可对单井进行模 拟,也可分区块进行多井模拟。研究过程中应尽可 能收集区内已有的实测资料,以获得精确的计算结 果。根据所得资料情况,为了达到研究目的,输入每 口井各地层中的各种岩性百分比, 再根据单一岩性 的原始孔隙度, 压实特征、密度、粒度、热导率和热 容,计算实际地层的上述参数, 如果有实测资料时, 用实测资料可对计算值进行校正。 2. 2� 计算方法的选择 1. 储层物性参数的计算方法 ( 1)孔隙度的计算 56 2010年 ( 2) 盆地模拟技术与 BasinMod软件应用 对油田来说,最有意义的孔隙度是有效孔隙度, 因而计算有效孔隙度,公式如下: �* = �- 3. 1 ) 10- 10S0 �* : 有效孔隙度; �:孔隙度; S0:比表面。 ( 2)渗透率的计算 多数使用修正的 Kozeny- C arman法,该方法适 用于计算低渗透性岩层的渗透率, 比如压实良好的 泥页岩。当孔隙度大于 10%时,采用公式: K = 0. 2�3 S 2 0 ( 1- �) 当孔隙度小于 10%时,采用公式: K = 20�5 S 2 0 ( 1- �) 2 图 1� 盆地模拟流程图 F ig. 1W orkflow o f basin mode ling � � 对具体的地区,选用有针对性的计算方法对模 拟的效果会起到很大的作用 [ 3 ]。 2. 热流的计算方法 热史是成熟度和动力学模拟的关键, 成熟作用 与化学反应速度随温度呈指数增加,而随时间则线 性增加。 热史可用地温梯度、热流或井底温度资料来进 行模拟。为了重建热史, 必须考虑它如何随时间变 化。如对裂谷盆地而言, 在其形成后的几个百万年 时间内产生的热变化非常之大, 通常用热流建立的 模型比较接近实际,这样能够较好地重建地温梯度 随时间的变化,但用地温梯度计算温度时没有考虑 岩石的热导率 [ 4]。 井温是最容易获得的资料, 由于实测温度通常 低于真实温度,只有对测温资料进行校正后,才能计 算今热流或今地温梯度,在没有古地温资料的情况 下,用今地温资料也可以近似地重建研究区的热史。 热流的计算方法有两种,一是稳态热流,二是瞬 变热流。稳态热流比较简单,用下列关系式进行计 算: 热流 =热导率 )地热梯度, 即 Q= kdT /dt 其中, Q: 热流生成率; k: 热导率; T: 温度; :t时 57 沉 积 与 特 提 斯 地 质 ( 2) 间。 瞬变热流法为完全不同的模型,它考虑了不同 岩石单元的热容、热流的瞬间变化不会引起热结构 的瞬变,但将随时间缓慢变化,这种变化取决于岩石 的热容或热延迟性,模拟热流用瞬变扩散方程结合 能量守恒定律进行计算,其热变换方程为: d[ kdt /dz+ Q ] /dz= cdT /dt 式中 T: 温度; k: 热导率; Q: 热流生成率; c: 热 容; :t时间。 3. 生烃参数的计算方法 镜质体反射率是最常用的成熟度指标之一, 在 陆相沉积中用得尤为普遍。TT I法计算成熟度假设 温度每增加 10∗ ,反应速度增加 1倍。TTI与 Ro之 间的换算不同学者有不同的认识, 代表性的学者有 Gof,f Hood等, Issler, Royder, W ap les或 Dykstra等,转 化率有时可比镜质体反射率更精确地指示成熟度, 转化率是指已生成的烃与总生烃潜力的比值, 它与 成熟度之间有直接对应关系, 在反应动力学讨论中 均用干酪根的转化率来表示成熟度,不同干酪根类 型的转化率所对应的 Ro不同。[ 5] 化学动力学方法考虑原始干酪根的组成变化和 分布,它计算有机质降解成烃过程中的多个平行反 应, 每个反应有各自的动力学参数、反应级别 (具特 别活化能的干酪根含量 )、活化能、Arrhen ius常数或 频率因子。化学动力学方法还考虑不同干酪根类型 的生油潜能变化,因此能定量研究烃类的形成,转化 率代表了已转化的干酪根与总生烃潜力的比值, 简 化后的动力学方程同时把干酪根转变成油和气 ( 4 组分模型 ), 油经过二次裂解形成气和残余物质。 尽管不能完全逼近发生在烃类形成过程的一系列复 杂化学反应,但它却提供了一个易于实施的合理途 径。 4. 排烃参数的计算方法 排烃是烃类从源岩进入输导层的过程, 即初次 运移,可用三种方法来确定排烃时间和排烃量: ( 1) 建立油气形成所对应镜质体反射率与排烃效率间的 联系; ( 2)建立转化率与排烃效率间的联系; ( 3)根 据烃饱和度来确定。通常使用第一种方法进行计 算, 根据不同成熟度阶段 (% Ro)形成油气的量来计 算源岩中排出烃的量。研究表明, 几乎所有形成的 气都能排出, 而只有 95%的油能够排出, 在某一反 射率值时,排烃效率与生烃量的积获得排烃量,排烃 效率随源岩丰度而变化, 富含有机质的源岩排烃效 率较高。从源岩到输导层的途径同样影响排烃效 率,薄源岩层或裂隙发育的脆性岩层的排烃效率比 厚源岩层要高 [ 3]。 5. 有关成熟度指标的计算方法 � 镜煤反射率:镜煤反射率 (% Ro)是沉积物有 机质中的高等植物所派生的镜质体颗粒的反射系 数。为计算成熟度, 采用 LLNL开发的 EASY% Ro 模型, 这是一个动态模型, 以% Ro来衡量成熟度。 采用公式为%Ro= 12exp[ - 3. 3(H /C ) ] - ( O /C ) Tmax:在进行岩石的演化分析期间, 样品中 的残留干酪根可转成烃类并进行检测, Tmax是检测 转化率最大的温度, 依据的时间温度指数 TT I与镜 煤反射率 Ro之间的关系, 以可计算出 Tmax。 ! 转化率的计算:在衡量有机质成熟度时,转化 率有时候比 Ro更为准确, 转化率与 Ro之间有着直 接关系,采用公式% Ro= exp( - 1. 6+ 3. 145TR )来 计算转化率 TR。[ 5] 图 2� BasinM od软件模块构成图 F ig. 2 M odu le structu res o f the BasinM od so ftware 3盆地模拟软件结构与功能 3. 1� 软件开发环境 操作系统: W indow s 98 /NT4. 0 /XP 开发平台: Borland C + + Bu ilder 4. 0 3. 2� BasinM od软件结构 BasinM od软件主要有三部分模块构成:主控模 块部分、参数定义模块部分和模拟处理模块部分。 (图 2) 58 2010年 ( 2) 盆地模拟技术与 BasinMod软件应用 3. 3� BasinM od软件功能 BasinM od软件主要能进行单井埋藏史、热史和 一维拟三维的埋藏史、热史、生排烃史和油气运聚史 模拟。 ( 1)埋藏史模拟 埋藏史模拟主要根据各单井或网格节点的现今 残余厚度及各地层孔隙度压实曲线计算出各单井或 网格节点的各模拟层的骨架厚度、在各埋藏史时期 的古埋深 [ 6]。 埋藏史模拟的输人输出数据描述如下: 1. 各模拟地层开始沉积、剥蚀地质年龄 2. 各模拟地层残余厚度、剥蚀厚度、岩比。 3. 各种岩性的初始孔隙度、压实系数。 +4. 埋藏史模拟参数。 � 1.各模拟层骨架厚度 2.各埋藏史时期古埋深 ( 2)热史模拟 热史模拟主要在埋藏史模拟的基础上, 考虑地 温或热流的变化,计算出各烃源层在各埋藏史时期 的镜质体反射率 ( Ro)的变化。不同的热史模拟方 法, 其计算过程不同。化学动力学法需要一套完整 的化学动力学参数; TTI法需要确定 TT I模型、Ro与 TTI经验方程。 热史模拟的输人输出数据描述如下: 1. 各地质时期的地表温度、地温梯度或热流 2. 热史模拟参数 (温度模型、TT l摸型和 Ro模型 ) 3理藏史模拟结果 � 1.温度 2. TT I 3. Ro ( 3)生排烃史模拟 生烃史模拟主要在上述埋藏史模拟、热史模拟 的基础上计算各烃源岩在各埋藏史时期的阶段生烃 量及总生烃量;排烃史模拟主要是计算出各烃源岩 在各埋藏史时期的阶段排烃量及总排烃量。 生排烃史模拟的输人输出数据描述如下: 1各烃源层密度、厚度、有机碳丰度、干酪根类型 和烃源层在地层中的位置 2. 生烃模拟模型参数 3. 理藏史棋拟参数 4. 热史模拟结果 � 1.阶段生烃量 2.总生烃量 3.阶段排烃量 4.总排烃量 ( 4)油气运聚史模拟 油气运聚史模拟主要根据流体 势和油气运移散失模型在埋藏史和排烃史模拟的基 础上,计算出各烃源层 (或油气系统 )的可供聚集 量, 并进一步估算出各油气系统能够形成的油气资 源量。油气运聚史模拟的输入输出数据描述如下: l运载层与地层关系 2烃源层与运载层关系 3. 埋藏史模拟参数 4. 生排烃史模拟结果 � 各运载层 /储集层在各时期的运移通量 ( 5)与 Surfer软件接口 BasinM od软件提供了与 Surfer软件的接口, 可 以对模拟形成的中间结果、最终结果数据体进行分 解,形成各类图形数据体,并在 Surfer软件上绘制各 种等值图,如各模拟层各埋藏史时期的古埋深、各烃 源层在各埋藏史时期的 Ro、各烃源层在各埋藏史时 期的生排烃强度等。借助 Surfer软件, 实现模拟结 果快速直观显示,便于模拟调参。 ( 6)模拟结果统计 主要对各烃源岩各单元在各埋藏史时期的生排 烃量进行统计,得出各种有关生排烃的统计表,如各 烃源岩总的生排烃量表、各构造单元总的生排烃量 表、各模拟阶段总的生排烃量表,以及分区分层的生 排烃表等 [ 7]。 图 3 � 冀中坳陷蠡县斜坡含油气系统事件图 F ig. 3� H istor ica l events in the pe tro leum system s on the L ix ian slope in centra lH ebe i 4 BasinM od软件应用 � � BasinM od盆地模拟软件是本着实用的原 则,边开发边应用的软件。从 1995年至今, 已经广 泛应用于几大盆地及其特定区带的油气资源评价, 指导了相关盆地区带的石油地质勘探工作,并取得 了丰硕的成果。 59 沉 积 与 特 提 斯 地 质 ( 2) BasinM od软件已经在新各田公司得到广泛应 用。该软件在 ,盆地模拟技术在冀中坳陷斜坡带的 应用及分析−、,盆地模拟技术在洪泽凹陷的应用 −、 ,塔里木盆地孔雀河地区单井盆地模拟分析 −、,准 噶尔盆地南缘前陆盆地中 . 新生代沉降埋藏史模 拟−的盆地分析模拟部分得到了大量的运用, 再现 了以上盆地 (区块 )的地层埋藏史、烃源岩的热演化 史、烃源岩的生烃史和排烃史、油气运聚史 [ 8 ]。 在 /冀中坳陷斜坡带成藏机理与油气富集规律 研究 0有项目中, 使用 BasinM od完成了盆地模拟部 分的工作,了冀中坳陷蠡县斜坡含油气系统事 件 (图 3) ,以含油气系统理论为指导, 在盆地模拟及 资源评估基础上,开展多地质信息叠加技术,进行区 带评价,指出有利的油气勘探区带,划分出三类有利 区, 并取得了很好的效果。 参考文献: [ 1 ] � 张庆春、石广仁、田在艺. 盆地模拟技术的发展现状与未来展 望 [ J] . 石油实验地质, 2001, 9( 3) : 312- 317. 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The B asinM od2009 softw are developed by PRA Corporat ion in 2009 is introduced in the present paper to the modeling of burial histo ry by means of backstripp ing compaction method, therm al h istory w ith the aid o f geo therm al grad ients method, hydrocarbon generat ion on the basis of themethods of hydrocarbon production rates and chem ica l kinet ics, hydrocarbon m ig ration and accumulation accord ing to the loss patterns o f the abso rbed oil and gas in the m ig ratory beds, and est imation of o il and gas resources in the light of expu lsion�accumulat ion coefficientsm ethod. It can be seen that the new ly�developed softw are hasm any advantages of p lanar, sectiona l and three�d imensiona lmode ling of various basins. Key words: geo log icalmode;l mode ling system; basin mode ling; resource assessment 60