基于陆相断陷盆地的油气运聚模拟.pdf

2 0 1 5年 5月 第 3 0卷第 3期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u ma l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n M ．d v 2 01 5 V0 j ． 3 0 No ． 3 文章编号 i 1 6 7 3 -06 4 X 2 0 1 5 0 3 - 0 0 0 1 - 0 6 基 于陆相断 陷盆地 的油气运聚模拟 孙旭东1 , 2 , 3 ， 吴冲龙 ， 隋志强 ， 毛小平 1 ． 中国地质大学 武汉计算机学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4； 2 ． 中石化 石油工程技术研究院， 北京 1 0 0 1 0 1 ； 3 ． 中石化 胜利油田物探院， 山东 东营 2 5 7 0 2 2 ； 4 ． 中国地质大学 北京资源学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 为解决陆相断陷盆地的油气运聚在地层、 构造 、 输导层非均质性和驱动 力等 多种地质要素作 用下的模拟 问题 ， 在保证模拟速度与效率的前提 下， 基于层 面三维地质模型 ， 研 究了多地质要素作 用下油气运聚快速模拟的机理， 对地质要素进行 了分析并分别建立 了相应的模拟算法 ， 形成 了快速 油气运聚模拟的数学模型与软件。通过胜利油田某区块模拟验证 了该方法的正确性和模拟软件的 高效性 ， 模拟结果对该区块勘探具有较 高指导价值。 关键词 油气运聚模拟 ； 三维地质模 型； 陆相断陷盆地 ； 输导体 系； 油气充注 中图分类号 T E l 9 文献标识码 A 随着计算机技术与地质理论 的发展 ， 国内外油 气成藏定量模拟研究进入了普及 、 完善和高层次发 展的阶段 。其模拟内容从仅限于地史 、 热史 、 生排烃 史延伸到了油气 的运移和聚集成藏过程 ； 其模拟方 式从一维 、 二维扩展 到三维 和动态模拟 _ 1 ； 模拟技 术则从单一 的确定性数学模 拟 ， 拓展到多种方法 和 模型综合应用 。 作为油气勘探“ 生 、 储 、 盖 、 运 、 圈、 保 ” 六要素的 核心 ， 厘清油气的运移 聚集方 向对油气勘探具有重 要意义 。前人针对油气藏形成的基 础条件 、 动力介 质 、 形成机制和演化历程做了大量探索 ， 形成了系统 化的理论 成果_ 5 。但 长期 以来 ， 油气成 藏过程 中 的油气运移机理及其定量化表述一直是上述石油地 质研究 中最为薄弱 的一环 ， 例如三大类输导体 系 储集层 、 断裂 和不整合 的时空 配置 ， 是陆相断 陷 盆地油气藏形成 的重要决定 因素 J ， 而如何将与之 相关 的地质认识转变成数学模 型， 是 目前实现定量 化模拟的主要难点。 近年来 ， 国内外针对油气成藏过程初步研发 了 一 批基于复杂的体 网格的模 拟软件 ， 如斯伦 贝谢公 司的成藏模拟软件 P e t r o Mo d 、 胜利 油 田的陆相断 陷 盆地成藏过程模拟软件 P e t r o V I Z等 。 。由于运移 机理及其模型结构复杂 ， 这些软件除 了存在数据 准 备繁琐 、 模拟工作量大和模拟周期长等缺陷之外 ， 更 主要存在着数学模 型单一 、 输导体系分析缺失等要 害问题。为了解决这些 问题并弥补所存在的各种缺 陷 ， 需要加强各部分软件功能的优化和升级的同时， 着重加强建模研究并开发输导体系分析工具。这就 要求合理地简化地质模型 ， 并通过量化输导层岩性 、 断层 、 裂隙带和不整合面的输导性 ， 兼顾流体势 以 浮力为主 的驱动作用 ， 形成全面表述油气运移 的 数学模型， 进而建立一种基于油气输导体系分析的 油气运聚过程多要 素快速模拟方法和软件工具 ， 并 选择典型探区进行实验。 1 油气运聚快速模拟机理 陆相断陷盆地是我 国最主要 的含油气盆地类 型。在这类盆地中， 沉积环境 和同沉积期的构造 活 动强烈 ， 甚至有过多次 的构造反转 ， 有 的后期构造作 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 一 l 5 基金项 目国家科技重大专项 编号 2 0 0 8 z x 0 5 0 5 1 ； 国家 自然科学基金项 目 编号 4 1 1 0 1 3 6 8 作者简介 孙旭东 1 9 7 2 - ， 男 ， 博士研究生， 主要从事地质勘探和数字油 田研究。E - m a i l t h i n k l o r d v i p ． q q ． c o m 一 2一 西安石油大学学报 自然科学版 用也很强烈 ， 造成沉积层 的岩性复杂多变 ， 且断层 、 裂隙和不整合面极为发育。这使得油气的运移通道 具有很强的非均质性特征 。不仅如此 ， 地层温度 、 压 力和油气相态、 流体势也是复杂多变的。由此而造 成油气运移方向、 运移速率和运移量的变化 ， 充满非 线性特征， 难以采用确定性方法求解。传统 的定量 化方法难 以有效描述油气相态、 介质 、 驱动力 以及油 气运移方 向、 运移速率和运移量以及物质空问的定 量化描述 问题 。虽然近几年围绕成藏研究提 出了相 势控藏 、 T S 运 聚、 网毯理论⋯ 以及 “ 近源 一优相 一 低势” 控藏模式的陆相断陷盆地隐蔽油气藏分布预 测技术 等， 但由于成藏过程中控制因素多， 地质 演化复杂， 这些认识基本上处于概念模型探讨 阶段 ， 难以转化为定量化 的数学模 型和模拟模型 ， 因而难 以实现对油气成藏过程分析结果的定量化描述。本 文提出一种改进的油气流线模拟方法 ， 即多地质 因 素联合作用下的油气快速运移模拟方法。所涉及 的 地质因素包括陆相断陷盆地的各类介质参数和动力 学参数 ， 前者如断裂 、 不整合面和输导层 非均质性 等 ， 后者如流体势和地质作用。 该方法的实现思路是 基 于主干通道分析结果 龟 代 运 移 结 果 建立油气输导体系， 遵 照能量守恒和最小位能原理 并利用流体势和势平衡面的分析结果 ， 跟踪油气运 移的主通道储集层 孔隙介质 、 断层 、 构造 脊 或不整合面 ， 以及 由它们组成 的复合通道 ， 然后确立 各类型圈闭的油气充注模型 ， 进而模拟油气运移和 聚集过程并评价其成藏效率和保存状况。 其算法实现的技术路线是 在三维层面 网格的 地质构造格架约束下 ， 以地层层面为线索， 以现今或 某个时期 的构造作为基础 ， 展开油气运移计算 。首 先确定断层运移通道 、 孔隙运移通道及不整合运移 通道等几种重要的二次运移通道； 在不影 响系统复 杂度 的条件下 ， 引入综合输导系数概念 ， 对由输导层 非均质性 、 流体势 、 含砂率等多因素构成的油气输导 能力进行量化处理 ； 以浮力为主要驱动力 ， 通过流线 法设定流线和流量分配 ， 在层面单元格模拟油气从 低处至高处直到储集层 的运移和在圈闭中的充注过 程 ， 获得油气在输导层 内的运移轨迹 、 运移强度和运 移量。如此 自底 向上逐层计算 ， 循环往复 ， 最终形成 整个研究区的油气运移量 、 聚集量和聚集形态及其 空间分布 图 1 。 图1 多地质要素油气快速运聚模拟算法模型及其流程 Fi g． 1 M o de l a n d wo r k flo w f o r f a s t hy dr o c a r b o n mi g r a ti o n a n d a c c u m u l a t i o n s i mu l a tio n a l g o r i t h m un d e r mu l t i p l e g e o l o g i c f a c t o r s 2 地质要素模拟算法 依据勘探实践经验 ， 设计油气在地层 内沿不同 运移方向 横向和垂 向 、 不同通道类型 岩石孔隙 、 裂隙、 断层 、 不整合面 的运 移模式 ， 以及在不 同圈 闭中的充注模式的算法 ， 形成陆相断陷盆地 油气运 聚的地质概念模型向数学模型的转化方法。 孙旭东等 基于陆相断 陷盆地 的油气 运聚模拟 一3 2 ． 1 油气沿储集层横向运移 的算法 在非均质地层和超压情况下 ， 流体 的运移主要 受流体势控制[ 1 3 3 。以油气 流体 势等值线 的法线方 向为油气运移方向， 便可以追踪油气运移流线 ， 得到 一 系列运移径迹。因此 ， 需要首先计算流体势及其 空间分布。本系统为 简化计算实现快速模拟 ， 使用 综合储层输导系数 P描述油气输导能力 ， 其为构造 和物性参数 如含砂率 、 孔隙度等的函数 采取加权 平均法表示各 因素按不同贡献共同控制油气运移 的 状况。 其表示式为 P W1 gAh ，， F 2⋯ F ； l ， 2⋯ wo1 。 式中 P为流体输导系数 ， F 为影响油气输导能力的 各参数 ， 为参数对应的权 重 ， 可根据地质分析来 确定 。 通过计算地层中输导系数 P的等值线求地层分 界面上各对应点的 P的法线 ， 再将法线投影至平 面 上即获得代表流体运移 的反方 向， 取负值后 即获得 该点从深层指向浅层 的流 向， 由此便 获得油气沿非 均质储集层横向运移 的方 向与轨迹 。 2 ． 2 油气 沿断层运移的算法 孔凡群等 从 陆相 断陷盆地油气运移的角度 出发 ， 探讨过断层控油作用及机理。设计沿断层运 移的算法 ， 需要有断层活动性质 、 时序和运移比率参 数， 然而断层信息 自动提取问题迄今为止一直没有 解决好 。为此 ， 本文提 出一种经验赋值法 ， 即根据前 期地质研究成果 ， 由地质人员直接针对盆地 中各断 层在不同时期 的表现 ， 采用人机交互方式输入其活 动起止时期 、 活动或静止时期沿 断层运移 比率 以及 储层分流 比率 。 在运移路径追踪过程中， 遇到断层单元 ， 取出已 输入的断层属性信息 ， 如果断层闭合则起遮挡作用 ， 否则起输导作用 ； 如果断层完全封堵 ， 则油气将横 向 运移至断层处形成圈闭， 而不会顺断层向上运移 ， 圈 闭与其覆盖层位无关 ； 如果断层是开启的， 则需要取 出相应的沿断层运移比率， 并按此 比率将当前的 “ 源” 沿断层 向上分配 ， 余下的作为新的“ 源” 继续按 流体势的等值线法线方 向向前追踪油气运移轨迹 。 油气沿断层垂 向运移的判断规则 上覆地 层如 果有此断层 ， 即在上覆地层 中找到 同号断层所 在的 最近单元 ， 确认后将“ 源” 按规定的比率分配到此单 元 中， 作为新的“ 源” 继续分配 。 2 ． 3 油气沿不整合面运移的算法 不整合面是油气二次运移 的主要通道之一 ， 但 不是所有的不整合面都可 以作为油气二次运移的通 道 。宋 国奇等n 根据对济 阳坳陷不整合基本结构 及其油气输导能力的分析 ， 认 为陆相断陷盆地不整 合结构层主要 由空间上交互频繁的砂 、 泥岩组成 ， 不 整合渗滤层及其顶部非渗滤层在横 向上连续性差 ， 虽可出现油气横 向、 垂向两种输导方式 ， 但很难作为 油气长距离运移的主干通道。因此 ， 不整合面作为 运移通道的作用是局部而有限的， 本文将不整合面 类 比于储集层的孔隙介质 ， 采用相 同的模拟算法 。 2 ． 4 油气充注体积系数的算法 由于油和气的储量在地表常温常高压下与在地 下较高温压下不同， 需要考虑体积系数或压缩系数 。 特别是气的储量对温度、 压力等因素更 为敏感。按 照一般的油气充注模式 ， 当油气一起进入圈闭后 ， 气 析出占据上部孔隙空 间， 而油 占据余下的下部孑 L 隙 空间。本文采用油气体积系数法， 即把油气充注分 为 2个过程 ， 分别计算其充注过程和充注量 。其 原 理和算法简介如下 原油的体积系数 可以采用经验公式 S t a n d i n g 的饱 和压力 公式 1 6 j 、 G l a s o公 式 与 V a z q u e z和 B e g g s 公式 计算 ； 气体的体积系数 可以采用通过 油藏模拟研究得到气体的经验公式计算。 设气 的体 积系数为 B ， 则 Bg 3． 4 47 4 z r a T ／ p。 式 中 为天然气 z因子 ， 平均 0 ． 9 ； T为温度 ， K； p 为压力， MP a 。 体积系数对 于油气储量 比例起 了关键性 的作 用。油气体积系数越大， 则在充注模拟中同样的储 集层空间的油与气储量将会越多。 2 ． 5 油气垂向运移的算法 当油气横向运移一段距离后 ， 将会有一部分油 气 因上覆地层封堵不严而进入上覆地层 中， 其余 的 继续横向运移。油气进入上覆地层的比例称为垂 向 运移比率。若该 比率为 0 ， 表示 上覆地层 为特优盖 层 ； 若 比率为 1 ， 表示上覆地层为特优输导层。垂 向 运移比率的大小 ， 取决 于地层 的含砂率。研究 区的 资料表明 ， 油气垂 向运移 比率与含砂率之 间有一定 对应关系 表 1 。 3 数学模型设计 与实现 根据上述分析 ， 本文提 出的数学模型建立方法 及实现准则如下 一 6一 西安石油大学学报 自然科学版 参 考 文 献 [ 1 ] 吴冲龙， 毛小平， 王燮培， 等． 三维油气成藏动力学建 模与软件开发[ J ] ． 石油实验地质， 2 0 0 1 ， 2 3 3 3 0 1 31 O． W U C h o n g l o n g ， MAO Xi a o p i n g ， W ANG Xi e p e i ， e t a 1 ． Mo d e l c o n s t r u c t i o n a n d s o f t wa r e d e v e l o pme n t o f 3D hy dr o c a r b o n p o o l for m i n g d y n n m i c s[ J ] ． P e t r o l e u m G e o l o g y＆ E x p e r i m e n t ， 2 0 0 1 ， 2 3 3 3 0 1 3 1 0 ． [ 2 ] 吴冲龙 ， 毛小平 ， 田宜平 ， 等． 三维数字盆地构造一 地层 格架模拟技术[ J ] ． 地质科技情报， 2 0 0 6 ， 2 5 4 1 8 ． W U C h o n g l o n g ， MAO Xi a o p i n g， T I AN Yi p i n g ， e t a 1 ． D i g i t a l b a s i n s a n d t h e i r 3 D v i s u a l i z a t i o n m o d e l i n g [ J ] ． Ge o l o g i c a l S c i e n c e a n d Te c h no l o g y I n f o r ma t i o n， 2 0 06， 2 5 4 1 8 ． [ 3 ] 石广仁． 油气盆地数值模拟方法[ M] ． 3版． 北京 石油 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 吴冲龙 ， 刘刚， 田宜平， 等． 地质信息科学与技术概论 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 1 4 ． [ 5 ] 吴冲龙， 林忠民， 毛小平 ， 等． ” 油气成藏模式” 的概念、 研究现状和发展趋势[ J ] ． 石油与天然气地质， 2 0 0 9 ， 3 0 6 6 7 3 6 8 3 ． W U Ch o n g l o n g，L I N Zh o n g mi n， MAO Xi a o p i ng， e t a 1 ． C o n c e p t ， r e s e a r c h s t a t u s a n d t r e n d o f h y d r o c a r b o n p o o l i n g p a t t e r n s [ J ] ． O i l a n d G a s G e o l o gy， 2 0 0 9 ， 3 0 6 6 7 3 68 3． [ 6 ] 罗晓容． 油气成藏动力学研究之我见[ J ] ． 天然气地球 科学 ， 2 0 0 8 ， 1 9 2 1 4 9 - 1 5 4 ． L U O Xi a o r o n g ． Un d e r s t a n d i n g s o n d y n a mi c a l s t u d i e s o f h y d r o c a r b o n m i g r a t i o n a n d a c c u mu l a t i o n『 J ] ． N a t u r a l G a s G e o s c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 1 9 2 1 4 9 - 1 5 4 ． [ 7 ] 田宜平， 毛小平， 张志庭， 等． ” 玻璃油田” 建设与油气 勘探开发信息化[ J ] ． 地质科技情报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 1 6 - 21 ． TI AN Yi p i n g， MAO Xi a o p i n g， ZHANG Zh i t i n g， e t a 1 ．” Gl a s s o i l fie l d”c o n s t r u c t i o n a nd o i l a nd g a s e x p l o r a t i o n a nd d e v e l o p m e n t i n f o r m a t i o n[ J ] ．G e o l o g i c al S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy I n f o rma t i o n ， 2 0 1 2， 3 1 6 1 6 - 2 1 ． [ 8 ] 张卫海 ， 查明， 曲江秀， 等． 油气输导体系的类型及配 置关系[ J ] ． 新疆石油地质， 2 0 0 3 ， 2 4 2 1 1 8 1 2 0 ． Z HA N G We i h a i ， Z H A Mi n g ， Q U J i a n g x i u ， e t a 1 ． T h e t yp e o n c o n fig u r a t i o n o f Pe t r o l e um t r a ns p o r t a t i o n s y s t e m [ J ] ． X i n j i a n g P e t r o l e u m G e o l o gy， 2 0 0 3 ， 2 4 2 1 1 8 1 2 0 ． [ 9 ] 孙旭东 ， 周霞， 陈述腾 ， 等． 油气成藏数模系统企业级 软件框架设计[ J ] ． 油气地球物理， 2 0 1 2 ， 1 0 1 8 - 1 2 ． SUN Xu d o n g， ZHOU Xi a， CHEN S h u t e ng， e t a1． The d e s i g n f o r e n t e r p r i s e l e v e l s o f t w a r e fr a me wo r k o f h y d r o c a r b o n r e s e r v o i r n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s y s t e m[ J ] ． P e t r o l e u m G e o p h y s i c s ， 2 0 1 2 ， 1 0 1 8 - 1 2 ． [ 1 0 ]周霞． 油气成藏过程定量模拟软件系统设计[ J ] ． 油气 地质与采收率， 2 0 1 0 ， 1 7 6 4 7 - 5 0 ． Z HOU Xi a ．S y s t e ma t i c d e s i g n o f s i mu l a t i o n s o f t w a r e o n r e s e rv o i r a c c u m u l a t i o n p r o c e s s [ J ] ． P e t r o l e u m G e o l o gy a n d R e c o v e r y E ffic i e n c y ， 2 0 1 0 ， 1 7 6 4 7 5 0 ． [ 1 1 ]张善文． 济阳坳陷第三系隐蔽油气藏勘探理论与实践 [ J ] ． 石油与天然气地质 ， 2 0 0 6 ， 2 7 6 7 3 1 - 7 4 0 ． ZHANG S ha n we n ．Ex p l o r a t i o n t h e o r y a nd p r a c t i c e o f t h e t e r t i a ry s u b t l e r e s e r v o i r s i n J i y a n g d e p r e s s i o n[ J ] ． O i l＆ G a s G e o l o gy， 2 0 0 6 ， 2 7 6 7 3 1 - 7 4 0 ． [ 1 2 ]庞雄奇， 李丕龙， 张善文， 等． 陆相断陷盆地相一 势耦合 控藏作用及其基本模式[ J ] ． 石油与天然气地质， 2 0 0 7 ， 2 8 5 6 41 6 5 2． PANG Xi o n g qi ，LI Pe i l o n g，ZHANG S ha n we n，e t a 1 ． C o n t r o l o f f a c i e s - p o t e n t i a l c o u p l i n g o n h y d r o c a r b o n a c c u - mu l a t i o n i n c o n t i n e n t a l f a u l t e d b a s i n s a n d i t s b a s i c g e o l o g i c a l m o d e l s[ J ] ． O i lG a s G e o l o gy， 2 0 0 7， 2 8 5 6 4 1 65 2． [ 1 3 ]E n g l a n d W A． T h e m o v e m e n t a n d e n t r a p m e n t o f p e t r o l e u m fl u i d i n t h e s u b s u r f a c e 『 J ] ． J o u rnal o f t h e G e o l o g i c a l S o c i e t y， 1 9 8 7， 1 44 3 2 7 3 4 7． [ 1 4 ]孔凡群， 李亚辉． 永 8地区断层控油作用研究[ J ] ． 石油 勘探与开发 ， 2 0 0 0 ， 2 7 6 1 2 - 1 3 ． KONG F a n - q u n ， L I Ya h u i ． T h e s t u d y o f t h e o i l a n d g a s c o n t r o l l e d b y f a u l t s i n Y o n g 8 A r e a ． [ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t ， 2 0 0 0 ， 2 7 6 1 2 1 3 ． [ 1 5 ]宋国奇 ， 隋风贵， 赵乐强 等． 济阳坳陷不整合结构不能 作为油气长距离运移的通道[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 5 7 4 4 _ 7 4 7 ． SONG Gu o q i ，S UI F e ng g ui ， ZHAO Le q i a n g，e t a 1 ．No u n c o n f o r mi t y s t ruc t u r e i n J i y a n g De p r e s s i o n a s l o n g d i s t a n c e m i g r a t i o n p a t h w a y o f h y d r o c a r b o n[ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 1 0 ， 3 1 5 7 4 4 7 4 7 ． [ 1 6 ]S t a n d i n g M B ． A p r e s s u r e v o l u m e t e m p e r a t u r e c o r r e l a t i o n s f o r m i x t u r e o f c al i f o r n i a 0 i l a n d g a s e s [ J ] ． A P I ， 1 9 4 7 2 7 5 28 6． [ 1 7]O i s t e i n G l a s o ． G e n e r a l i z e d p r e s s u r e v o l u m e t e m p e r a t u r e c o rr e l a t i o n s [ J ] ． J P T ， 1 9 8 0 7 8 5 7 9 5 ． [ 1 8 ]V a z q u e s M， B e g g s H D． C o r r e l a t i o n f o r fl u i d p h y s i c a l p r o p - e rt i e s p r e d i c t i o n [ J ] ． J ， 1 9 8 0 9 6 8 - 9 7 0 ． 责任编辑 张新 宝