基于陸相斷陷盆地的油氣運聚模擬

孫旭東，吳沖龍 ，隋志強 ，毛小平

(1.中國地質大學(武漢) 計算機學院，湖北 武漢 430074；2.中石化 石油工程技術研究院，北京 100101；3.中石化 勝利油田物探院，山東 東營 257022； 4.中國地質大學(北京) 資源學院，北京 100083)

基于陸相斷陷盆地的油氣運聚模擬

孫旭東1，2，3，吳沖龍1，隋志強4，毛小平4

(1.中國地質大學(武漢) 計算機學院，湖北 武漢 430074；2.中石化 石油工程技術研究院，北京 100101；3.中石化 勝利油田物探院，山東 東營 257022； 4.中國地質大學(北京) 資源學院，北京 100083)

為解決陸相斷陷盆地的油氣運聚在地層、構造、輸導層非均質性和驅動力等多種地質要素作用下的模擬問題，在保證模擬速度與效率的前提下，基于層面三維地質模型，研究了多地質要素作用下油氣運聚快速模擬的機理，對地質要素進行了分析并分別建立了相應的模擬算法，形成了快速油氣運聚模擬的數(shù)學模型與軟件。通過勝利油田某區(qū)塊模擬驗證了該方法的正確性和模擬軟件的高效性，模擬結果對該區(qū)塊勘探具有較高指導價值。

油氣運聚模擬；三維地質模型；陸相斷陷盆地；輸導體系；油氣充注

隨著計算機技術與地質理論的發(fā)展，國內外油氣成藏定量模擬研究進入了普及、完善和高層次發(fā)展的階段。其模擬內容從僅限于地史、熱史、生排烴史延伸到了油氣的運移和聚集成藏過程；其模擬方式從一維、二維擴展到三維和動態(tài)模擬[1-2]；模擬技術則從單一的確定性數(shù)學模擬，拓展到多種方法和模型綜合應用[3-4]。

作為油氣勘探“生、儲、蓋、運、圈、?！绷氐暮诵模迩逵蜌獾倪\移聚集方向對油氣勘探具有重要意義。前人針對油氣藏形成的基礎條件、動力介質、形成機制和演化歷程做了大量探索，形成了系統(tǒng)化的理論成果[5-6]。但長期以來，油氣成藏過程中的油氣運移機理及其定量化表述一直是上述石油地質研究中最為薄弱的一環(huán)[7]，例如三大類輸導體系(儲集層、斷裂和不整合)的時空配置，是陸相斷陷盆地油氣藏形成的重要決定因素[8]，而如何將與之相關的地質認識轉變成數(shù)學模型，是目前實現(xiàn)定量化模擬的主要難點。

近年來，國內外針對油氣成藏過程初步研發(fā)了一批基于復雜的體網格的模擬軟件，如斯倫貝謝公司的成藏模擬軟件PetroMod、勝利油田的陸相斷陷盆地成藏過程模擬軟件PetroVIZ等[9-10]。由于運移機理及其模型結構復雜，這些軟件除了存在數(shù)據(jù)準備繁瑣、模擬工作量大和模擬周期長等缺陷之外，更主要存在著數(shù)學模型單一、輸導體系分析缺失等要害問題。為了解決這些問題并彌補所存在的各種缺陷，需要加強各部分軟件功能的優(yōu)化和升級的同時，著重加強建模研究并開發(fā)輸導體系分析工具。這就要求合理地簡化地質模型，并通過量化輸導層巖性、斷層、裂隙帶和不整合面的輸導性，兼顧流體勢(以浮力為主)的驅動作用，形成全面表述油氣運移的數(shù)學模型，進而建立一種基于油氣輸導體系分析的油氣運聚過程多要素快速模擬方法和軟件工具，并選擇典型探區(qū)進行實驗。

1 油氣運聚快速模擬機理

陸相斷陷盆地是我國最主要的含油氣盆地類型。在這類盆地中，沉積環(huán)境和同沉積期的構造活動強烈，甚至有過多次的構造反轉，有的后期構造作用也很強烈，造成沉積層的巖性復雜多變，且斷層、裂隙和不整合面極為發(fā)育。這使得油氣的運移通道具有很強的非均質性特征。不僅如此，地層溫度、壓力和油氣相態(tài)、流體勢也是復雜多變的。由此而造成油氣運移方向、運移速率和運移量的變化，充滿非線性特征，難以采用確定性方法求解。傳統(tǒng)的定量化方法難以有效描述油氣相態(tài)、介質、驅動力以及油氣運移方向、運移速率和運移量以及物質空間的定量化描述問題。雖然近幾年圍繞成藏研究提出了相勢控藏、TS運聚、網毯理論[11]以及“近源-優(yōu)相-低勢”控藏模式的陸相斷陷盆地隱蔽油氣藏分布預測技術[12]等，但由于成藏過程中控制因素多，地質演化復雜，這些認識基本上處于概念模型探討階段，難以轉化為定量化的數(shù)學模型和模擬模型，因而難以實現(xiàn)對油氣成藏過程分析結果的定量化描述。本文提出一種改進的油氣流線模擬方法，即多地質因素聯(lián)合作用下的油氣快速運移模擬方法。所涉及的地質因素包括陸相斷陷盆地的各類介質參數(shù)和動力學參數(shù)，前者如斷裂、不整合面和輸導層非均質性等，后者如流體勢和地質作用。

該方法的實現(xiàn)思路是：基于主干通道分析結果建立油氣輸導體系，遵照能量守恒和最小位能原理并利用流體勢和勢平衡面的分析結果，跟蹤油氣運移的主通道——儲集層(孔隙介質)、斷層、構造脊或不整合面，以及由它們組成的復合通道，然后確立各類型圈閉的油氣充注模型，進而模擬油氣運移和聚集過程并評價其成藏效率和保存狀況。

其算法實現(xiàn)的技術路線是：在三維層面網格的地質構造格架約束下，以地層層面為線索，以現(xiàn)今或某個時期的構造作為基礎，展開油氣運移計算。首先確定斷層運移通道、孔隙運移通道及不整合運移通道等幾種重要的二次運移通道；在不影響系統(tǒng)復雜度的條件下，引入綜合輸導系數(shù)概念，對由輸導層非均質性、流體勢、含砂率等多因素構成的油氣輸導能力進行量化處理；以浮力為主要驅動力，通過流線法設定流線和流量分配，在層面單元格模擬油氣從低處至高處直到儲集層的運移和在圈閉中的充注過程，獲得油氣在輸導層內的運移軌跡、運移強度和運移量。如此自底向上逐層計算，循環(huán)往復，最終形成整個研究區(qū)的油氣運移量、聚集量和聚集形態(tài)及其空間分布(圖1)。

圖1 多地質要素油氣快速運聚模擬算法模型及其流程

2 地質要素模擬算法

依據(jù)勘探實踐經驗，設計油氣在地層內沿不同運移方向(橫向和垂向)、不同通道類型(巖石孔隙、裂隙、斷層、不整合面)的運移模式，以及在不同圈閉中的充注模式的算法，形成陸相斷陷盆地油氣運聚的地質概念模型向數(shù)學模型的轉化方法。

2.1 油氣沿儲集層橫向運移的算法

在非均質地層和超壓情況下，流體的運移主要受流體勢控制[13]。以油氣流體勢等值線的法線方向為油氣運移方向，便可以追蹤油氣運移流線，得到一系列運移徑跡。因此，需要首先計算流體勢及其空間分布。本系統(tǒng)為簡化計算實現(xiàn)快速模擬，使用綜合儲層輸導系數(shù)P描述油氣輸導能力，其為構造和物性參數(shù)(如含砂率、孔隙度等的函數(shù))采取加權平均法表示各因素按不同貢獻共同控制油氣運移的狀況。其表示式為

P=W1(g△h)+W2F2+…+WnFn；

W1+W2+…+Wn=1。

式中：P為流體輸導系數(shù)，F(xiàn)i為影響油氣輸導能力的各參數(shù)，Wi為參數(shù)對應的權重，可根據(jù)地質分析來確定。

通過計算地層中輸導系數(shù)P的等值線求地層分界面上各對應點的P的法線，再將法線投影至平面上即獲得代表流體運移的反方向，取負值后即獲得該點從深層指向淺層的流向，由此便獲得油氣沿非均質儲集層橫向運移的方向與軌跡。

2.2 油氣沿斷層運移的算法

孔凡群等[14]從陸相斷陷盆地油氣運移的角度出發(fā)，探討過斷層控油作用及機理。設計沿斷層運移的算法，需要有斷層活動性質、時序和運移比率參數(shù)，然而斷層信息自動提取問題迄今為止一直沒有解決好。為此，本文提出一種經驗賦值法，即根據(jù)前期地質研究成果，由地質人員直接針對盆地中各斷層在不同時期的表現(xiàn)，采用人機交互方式輸入其活動起止時期、活動或靜止時期沿斷層運移比率以及儲層分流比率。

在運移路徑追蹤過程中，遇到斷層單元，取出已輸入的斷層屬性信息，如果斷層閉合則起遮擋作用，否則起輸導作用；如果斷層完全封堵，則油氣將橫向運移至斷層處形成圈閉，而不會順斷層向上運移，圈閉與其覆蓋層位無關；如果斷層是開啟的，則需要取出相應的沿斷層運移比率，并按此比率將當前的“源”沿斷層向上分配，余下的作為新的“源”繼續(xù)按流體勢的等值線法線方向向前追蹤油氣運移軌跡。

油氣沿斷層垂向運移的判斷規(guī)則：上覆地層如果有此斷層，即在上覆地層中找到同號斷層所在的最近單元，確認后將“源”按規(guī)定的比率分配到此單元中，作為新的“源”繼續(xù)分配。

2.3 油氣沿不整合面運移的算法

不整合面是油氣二次運移的主要通道之一，但不是所有的不整合面都可以作為油氣二次運移的通道。宋國奇等[15]根據(jù)對濟陽坳陷不整合基本結構及其油氣輸導能力的分析，認為陸相斷陷盆地不整合結構層主要由空間上交互頻繁的砂、泥巖組成，不整合滲濾層及其頂部非滲濾層在橫向上連續(xù)性差，雖可出現(xiàn)油氣橫向、垂向兩種輸導方式，但很難作為油氣長距離運移的主干通道。因此，不整合面作為運移通道的作用是局部而有限的，本文將不整合面類比于儲集層的孔隙介質，采用相同的模擬算法。

2.4 油氣充注體積系數(shù)的算法

由于油和氣的儲量在地表常溫常高壓下與在地下較高溫壓下不同，需要考慮體積系數(shù)或壓縮系數(shù)。特別是氣的儲量對溫度、壓力等因素更為敏感。按照一般的油氣充注模式，當油氣一起進入圈閉后，氣析出占據(jù)上部孔隙空間，而油占據(jù)余下的下部孔隙空間。本文采用油氣體積系數(shù)法，即把油氣充注分為2個過程，分別計算其充注過程和充注量。其原理和算法簡介如下：

原油的體積系數(shù)Bo可以采用經驗公式Standing的飽和壓力公式[16]、Glaso公式[17]與Vazquez和Beggs公式[18]計算；氣體的體積系數(shù)可以采用通過油藏模擬研究得到氣體的經驗公式計算。設氣的體積系數(shù)為Bg，則

Bg=3.447-4zfact·T/p。

式中：zfact為天然氣Z因子，平均0.9；T為溫度，K；p為壓力，MPa。

體積系數(shù)對于油氣儲量比例起了關鍵性的作用。油氣體積系數(shù)越大，則在充注模擬中同樣的儲集層空間的油與氣儲量將會越多。

2.5 油氣垂向運移的算法

當油氣橫向運移一段距離后，將會有一部分油氣因上覆地層封堵不嚴而進入上覆地層中，其余的繼續(xù)橫向運移。油氣進入上覆地層的比例稱為垂向運移比率。若該比率為0，表示上覆地層為特優(yōu)蓋層；若比率為1，表示上覆地層為特優(yōu)輸導層。垂向運移比率的大小，取決于地層的含砂率。研究區(qū)的資料表明，油氣垂向運移比率與含砂率之間有一定對應關系(表1)。

3 數(shù)學模型設計與實現(xiàn)

根據(jù)上述分析， 本文提出的數(shù)學模型建立方法及實現(xiàn)準則如下：

表1 X地區(qū)沙三段油氣垂向運移比率與含砂率對應關系

(1)首先建立層面網格并獲取各單元的排烴量。先將工區(qū)的地層劃分為m×n個拓撲單元，即將地層分界面網格化，取得各單元的排烴強度。再設X、Y方向的間隔為Dx，Dy，從每個單元中心出發(fā)，并生成一條流線的起點，然后按照氣先油后的順序計算油氣運移。

(2)取得流體的運移方向。根據(jù)前文所述“油氣沿儲集層橫向運移算法”，即通過輸導系數(shù)計算可以求取分界面各點的法線，在地層面投影后取負值獲得油氣運移方向。

(3)計算油氣運移軌跡。取得中心點的運移方向，設定一個步長D，按此步長和運移方向生成一個線段作為此流線的第一段，得到一個新的點，計算新點的運移方向，以新的運移方向按步長D再向上運移一段，依此類推，則流線就嚴格按法線方向運移。

(4)計算垂向運移。在運移流線跟蹤過程中，如果用戶設定了垂向運移參數(shù)，則流線每走一步需要查詢上覆地層在當前點處的含砂率，如果含砂率大，則流線在此時所攜帶的油氣量會垂向滲透到上覆地層，當前層位流線所攜帶的量將會變小。如果含砂率小于某個閾值(如15%)， 則認為是巖性圈閉， 便讓油氣在此聚集，此時流線軌跡計算終止。

(5)計算沿斷層與不整合面運移。油氣在同一層位的運移總量是不變的，如果運移路徑上存在半開啟的斷層，部分油氣將會跨過斷層進行同層的橫向運移，流線所攜帶的量將會變少；如果遇到削蝕面或不整合面，在厚度上表現(xiàn)為上覆地層在某一段厚度為0，這時油氣運移流線將在此消失，所攜帶的量整個移至上覆地層，并在不整合面內運移。

(6)計算圈閉充注量。在流線追蹤過程中，每走一個步長D，系統(tǒng)將會自動判斷當前單元是否為地形高點。如果是，則流線會將所攜帶的烴量充注于該單元體積中的孔隙空間(有效體積空間U)。此空間中的烴充填量是總體積V與總孔隙度φ的乘積。亦即

U=(Zm-Zn)·Dx·Dy·φ。

若源不夠，則運移流線終結，把此聚烴量累加到該單元的聚集量上，計算流線此時攜帶的烴體積所占有的烴柱高度。若空間不夠，則填充完后m號單元的高度將下降至與n號單元一樣，即Zm=Zn，多余的源將繼續(xù)分配。油氣運移過程中會遍歷所剖分的各個單元，這時，從源到匯各單元通過烴量不同。將每個單元曾經通過的油氣數(shù)量綜合起來，表征每個單元的油氣運移通量，便間接地表達了油氣運移強度的概念。

基于上述數(shù)學模型，完成了軟件系統(tǒng)設計，見圖2所示。

4 應用與效果分析

車西洼陷位于車鎮(zhèn)凹陷的西部，面積約1 100km2。該地區(qū)沙三、沙四段斷層發(fā)育，斷裂復雜，圈閉類型和數(shù)量都很多。模擬針對該洼陷的Qp、Nm、Ng、Ed、Es1、Es2、Ss3s、Es3z、Es3x、Es4s共10套地層。通過加載構造圖并內插生成構造面，再導入斷層界面和排烴強度，進而計算出油氣運移路徑及運移量大小，完整地實現(xiàn)了從地質綜合研究、成果處理到油氣運聚模擬的全部業(yè)務流程，最后生成相應的定量分析圖件。

圖2 油氣運聚模擬軟件運行流程

考慮到介質的非均質性是控制油氣運移的關鍵因素，在本次模擬中，著重進行了輸導層非均質性對油氣運移和聚集影響的實驗研究。以沙三中下段為例，其油氣運移及聚集的模擬結果如圖3所示。其中，圖3(a)為將輸導層視為均質體，取消輸導系數(shù)約束的模擬結果，圖3(b)為將輸導層視為非均質體，加入實際輸導系數(shù)約束的模擬結果。顯然，在加入地質非均質性信息(輸導系數(shù))后，油氣的流向顯得更加不規(guī)則，有效地揭示了地質非均質屬性的顯著影響。與勘探成果相比較，后一種模擬結果更符合實際。

圖3 車西地區(qū)沙三中下段油氣運移軌跡及推測聚集平面圖

模擬結果的準確性還與所取參數(shù)的可靠性、地質模型的正確性和盆地的復雜性有關。當然，模擬獲得的資源量與聚集量的準確程度是難以評判的。這些模擬結果，僅僅是當前地質認識的一個量化和可視化結果，可大致確定區(qū)帶的油氣通量和通道的運移量，從而以定量方式揭示各地質要素間的時空配置關系(圖4)。

圖4 車西地區(qū)沙三中下段油氣運移成果的可視化表達

通過運聚模擬結果(運移量或通過量)的可視化表達(圖4)，能清晰地了解凹陷中的有利含油氣區(qū)帶。如果所提供的構造足夠精細，則可計算出具有一定資源潛力的圈閉，并可對該圈閉進一步評價，所得到的油氣藏參數(shù)包括：圈閉幅度、溢出點、面積、油柱高度等。通過建模分析和模擬，還為后續(xù)地質分析和精細評價提供了有效的數(shù)學模型。

5 結 論

針對陸相斷陷盆地輸導體系特點，厘清了油氣運聚快速模擬機理，綜合考慮了輸導層非均質性、斷層、不整合面及其巖性、孔隙度等介質要素和流體勢等動力要素的約束，設計了多因素控制下的流體運聚算法，通過定性與定量相結合、模型與經驗相結合的量化方法，實現(xiàn)了復雜地質條件下的油氣輸導過程的數(shù)學表達。

針對“油氣主要通過優(yōu)勢通道運移，而且總是沿著阻力最小的方向和通道運移的特點”，提出了數(shù)學建模方法，基于流體勢法線的運移路線追蹤算法，清晰地再現(xiàn)了油氣匯聚和運移的主通道，同時通過油氣運移通量概念實現(xiàn)油氣運移輸導能力的量化表述。

研發(fā)形成了基于輸導體系的油氣運移量化分析工具。車西地區(qū)的實際應用表明，在資料不足或地質機制不清晰的情況下，利用該模擬分析工具，通過構造與參數(shù)調整，可有效地實現(xiàn)油氣運移的快速模擬反饋，進而可概要地了解區(qū)域內油氣的運移特點和規(guī)律，深化對油氣成藏過程的認知。

[1] 吳沖龍,毛小平,王燮培,等.三維油氣成藏動力學建模與軟件開發(fā)[J].石油實驗地質,2001,23(3):301-310. WU Chong-long,MAO Xiao-ping,WANG Xie-pei,et al.Model construction and software development of 3D hydrocarbon pool-forming dynnmics [J].Petroleum Geology & Experiment,2001,23(3):301-310.

[2] 吳沖龍,毛小平,田宜平,等.三維數(shù)字盆地構造-地層格架模擬技術[J].地質科技情報,2006,25(4):1-8. WU Chong-long,MAO Xiao-ping,TIAN Yi-ping,et al.Digital basins and their 3D visualization modeling[J].Geological Science and Technology Information,2006,25(4):1-8.

[3] 石廣仁.油氣盆地數(shù)值模擬方法[M].3版.北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[4] 吳沖龍,劉剛,田宜平,等.地質信息科學與技術概論[M].北京:科學出版社,2014.

[5] 吳沖龍,林忠民,毛小平,等."油氣成藏模式"的概念、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油與天然氣地質，2009,30(6):673-683. WU Chong-long,LIN Zhong-min,MAO Xiao-ping,et al.Concept,research status and trend of hydrocarbon pooling patterns[J].Oil and Gas Geology,2009,30(6):673-683.

[6] 羅曉容.油氣成藏動力學研究之我見[J].天然氣地球科學,2008,19(2):149-154. LUO Xiao-rong.Understandings on dynamical studies of hydrocarbon migration and accumulation [J].Natural Gas Geoscience,2008,19(2):149-154.

[7] 田宜平,毛小平,張志庭,等."玻璃油田"建設與油氣勘探開發(fā)信息化[J].地質科技情報,2012,31(6):16-21. TIAN Yi-ping,MAO Xiao-ping,ZHANG Zhi-ting,et al."Glass oilfield"construction and oil and gas exploration and development information[J].Geological Science and Technology Information,2012,31(6):16-21.

[8] 張衛(wèi)海,查明,曲江秀,等.油氣輸導體系的類型及配置關系[J].新疆石油地質,2003,24(2):118-120. ZHANG Wei-hai,ZHA Ming,QU Jiang-xiu,et al.The type on configuration of Petroleum transportation system[J].Xinjiang Petroleum Geology,2003,24(2):118-120.

[9] 孫旭東,周霞,陳述騰,等.油氣成藏數(shù)模系統(tǒng)企業(yè)級軟件框架設計[J].油氣地球物理,2012,10(1):8-12. SUN Xu-dong,ZHOU Xia,CHEN Shu-teng,et al.The design for enterprise level software framework of hydrocarbon reservoir numerical simulation system [J].Petroleum Geophysics,2012,10(1):8-12.

[10] 周霞.油氣成藏過程定量模擬軟件系統(tǒng)設計[J].油氣地質與采收率，2010,17(6):47-50. ZHOU Xia.Systematic design of simulation software on reservoir accumulation process[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2010,17(6):47-50.

[11] 張善文.濟陽坳陷第三系隱蔽油氣藏勘探理論與實踐[J].石油與天然氣地質,2006,27(6):731-740. ZHANG Shan-wen.Exploration theory and practice of the tertiary subtle reservoirs in Jiyang depression [J].Oil & Gas Geology,2006,27(6):731-740.

[12] 龐雄奇,李丕龍,張善文,等.陸相斷陷盆地相-勢耦合控藏作用及其基本模式[J].石油與天然氣地質,2007,28(5):641-652. PANG Xiong-qi,LI Pei-long,ZHANG Shan-wen,et al.Control of facies-potential coupling on hydrocarbon accumulation in continental faulted basins and its basic geological models [J].Oil & Gas Geology,2007,28(5):641-652.

[13] England W A.The movement and entrapment of petroleum fluid in the subsurface[J].Journal of the Geological Society,1987,144:327-347.

[14] 孔凡群,李亞輝.永8地區(qū)斷層控油作用研究[J].石油勘探與開發(fā),2000,27(6):12-13. KONG Fan-qun,LI Ya-hui.The study of the oil and gas controlled by faults in Yong 8 Area.[J].Petroleum Exploration and Development,2000,27(6):12-13.

[15] 宋國奇,隋風貴,趙樂強 等.濟陽坳陷不整合結構不能作為油氣長距離運移的通道[J].石油學報,2010,31(5):744-747. SONG Guo-qi,SUI Feng-gui,ZHAO Le-qiang,et al.No unconformity structure in Jiyang Depression as long distance migration pathway of hydrocarbon [J].Acta Petrolei Sinica,2010,31(5):744-747.

[16] Standing M B.A pressure-volume-temperature correlations for mixture of california oil and gases[J].API,1947:275-286.

[17] Oistein Glaso.Generalized pressure-volume-temperature correlations[J].JPT,1980:785-795.

[18] Vazques M,Beggs H D.Correlation for fluid physical properties prediction[J].JPT,1980:968-970.

責任編輯：張新寶

2014-10-15

國家科技重大專項(編號：2008ZX05051)；國家自然科學基金項目(編號：41101368)

孫旭東(1972-)，男，博士研究生，主要從事地質勘探和數(shù)字油田研究。E-mail：thinklord@vip.qq.com

1673-064X(2015)03-0001-06

TE19

A