盆地模拟技术在油气勘探中的发展与应用

摘要： 盆地模拟是石油地质科学领域内的一项高新仿真技术，对推动石油地质定量化研究和提高油气勘探效益具有重大意义。其技术内涵是通过计算机定量模拟含油气盆地的形成和演化、烃类的生成、运移和聚集过程，预测油气在四维时空中的分布。随着油气地质理论、计算机技术与数值模拟方法的快速发展，盆地模拟技术日趋完善。国内各油田都十分重视盆地模拟系统的研制与开发，并将其广泛应用于油气资源评价、沉积盆地分析、含油气系统研究、圈闭预探部署等方面，极大地促进了油气田的发现和油气探明地质储量的增长。

关键词： 盆地模拟； 模拟系统； 油气勘探； 定量评价

中图分类号： TE19文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）02-0027-03

引言

从定性分析到定量计算、从静态描述走向动态模拟是任何科学发展的总趋势和必由之路，油气地质科学也不例外。由于石油地质学的多学科性和复杂性，该领域长期处于定性研究阶段。20世纪70年代末期迅速发展起来的盆地模拟技术是一项高新仿真技术，对降低油气勘探风险、深化地质认识并促进地学定量化等方面有着重大意义[1]。国内各油田都十分重视盆地模拟技术的发展与应用，在油气勘探实践中取得了较好的效果。

1 技术内涵

所谓盆地模拟（basin modeling），即从石油地质的物理化学机理出发，首先建立地质模型，然后建立数学模型，最后编制相应的软件，从而在时空概念下由计算机定量地模拟油气盆地的形成和演化、烃类的生成、运移和聚集[2]。

一个完整的盆地模拟系统由地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史等五个模块有机组成[3]。各模块结构上相对独立，在系统内依次排列、彼此耦合。前置模块是后续模块的前提与条件，对后续模块的运行有制约与控制作用；后续模块是前置模块的延展与推进，对前置模块的运行有反馈作用。各模块的功能及主要模拟方法见表1。

按考虑问题的时空关系，盆地模拟系统分为一维、二维、三维系统。一维盆地模拟系统只考虑垂直方向（z轴），由平面上各点的模拟结果来综合研究整个模拟地区，主要功能是恢复埋藏史、重建热史、评价有机质成熟度和计算生烃量，其缺点是难以模拟油气的运移聚集史；二维盆地模拟系统考虑的是平面，包括剖面（x，z）和平面（x，y）两种类型，除完成一维盆地模拟的内容外，还可模拟、计算流体压力史、烃类运移史和圈闭充注量；三维盆地模拟系统考虑的是空间（x，y，z），克服了一维、二维盆地模拟的缺点，能够在三维空间内准确地重建沉积盆地的热演化史、压力演化史、烃类生成史、多相流体运移与聚集史等。因此，一维模拟称为成熟度模拟（Maturity Modelling），二维模拟和三维模拟称为流体流动模拟（Fluid Flow Modeling）[4]。

对于一个研究地区，采用何种模拟系统主要取决于地质资料的多少，即模拟地区的勘探程度。一般来说，一维盆地模拟适用于勘探程度较低的阶段，二维盆地模拟适用于勘探程度中等的阶段，三维盆地模拟适用于勘探程度较高的阶段[5]。

2 发展简史

盆地模拟是石油地质学与数学方法、计算机技术相结合的产物，代表着石油地质学未来的发展方向，虽然只有30年的短暂历史，但发展十分迅速[6-9]。

2.1国外发展状况

世界上第一个盆地模拟系统诞生于1978年，由原西德尤利希核能研究有限公司石油与有机地球化学研究所的Yükler M. A和Welte D. H等人研制而成。该系统着眼于沉积盆地古地温史和埋藏史的动态发展，研究生油层的成熟史，是基于正演地史的一维盆地模拟系统。

20世纪80年代，日本石油勘探有限公司（1981、1987）、美国南卡罗拉那大学（1984）、法国石油研究院（1984）、英国不列颠石油公司（1987）都开展了盆地模拟的方法研究和软件研制工作，相继推出了规模不等、各具特色的盆地模拟系统。这些模拟系统以一维、二维模型为主，重点研究沉积盆地的地史、热史与生烃史，多数处于试验性应用阶段。

20世纪90年代是盆地模拟技术全面发展的时期。由于经济方面的原因，各大石油公司不再独立研制大型盆地模拟软件，而是转向与大学及科研机构合作共同开发，或购买商品化软件。这一时期的盆地模拟系统以二维模型为主，重点研究油气的排烃史和运移聚集史，并全面进入了实际应用阶段。

进入21世纪后，盆地模拟软件系统由早期的剖面二维向平面二维和三维模型、三相多组分运移等方向发展，并在实际应用中不断得到发展和完善。

目前，国际商品软件市场上较为流行4套盆地动态数值模拟系统：（1）德国有机地球化学研究所（IES）的Petromod；（2）美国伊利诺斯大学与政府实验室及阿莫科、阿科和雪佛龙石油公司等20个单位合作研制的Basin2；（3）法国国家石油研究院（IFP）的Temispack；（4）美国Platte River公司（PRA）的BasinMod。这些模拟软件内容全面、技术先进、商品化程度高，在含油气盆地研究的不少方面都有独到之处。

2.2国内发展状况

我国的盆地模拟技术是在跟踪西方国家技术基础上发展起来的，发展历程与西方大体相似。由于中国发育众多的陆相叠合含油气盆地，石油地质条件极其复杂，国内盆地模拟技术除吸收了国外的先进方法外，还结合中国的具体地质情况进行了创新与发展[10-13]。

1980年，胜利油田引进了原西德的一维盆地模拟系统，对山东省北部临邑盆地的含油气潜力进行定量评价。1982年，对原来的一维系统移植相应软件进行改造后，应用于全国第一次油气资源评价工作，并在多个含油气盆地得到推广和应用。1988年，胜利油田正式推出了我国第一套盆地模拟软件系统SLBSS。

北京石油勘探开发科学研究院于1989年研制出具有自主版权的一维盆地模拟系统BAS 1，1990年推出二维盆地模拟图形工作站系统BMWS，1996年又推出全新的的盆地综合模拟系统BASIMS。上述软件迅速在国内各油田得到广泛应用，成为全国第二次油气资源评价的主力软件。

中国海洋石油勘探开发研究中心于1989年推出一维盆地模拟系统HYBSS，1990年与吉林大学合作研制出油气资源评价专家系统PRES，1996年与美国加州大学伯克利分校、中国科学院数学研究所及中国地质大学合作开发了以二维模型为核心的盆地模拟系统ProBases。

20世纪90年代以来，在一维盆地模拟系统推广应用的基础上，大庆、胜利等油田都结合本地区的实际地质情况，与各大学及科研机构合作，对已有的软件进行改进与发展，或独立开发模拟软件，盆地模拟技术在中国得到快速发展。

中国的盆地模拟系统内容全面，技术比较先进，一些软件已经达到了商品化水平，受到国际同行的好评。国内与国外的盆地模拟先进软件相比，各有千秋，总体水平大体相当[14]。在地质模型、综合评价方面，国内软件优于国外软件；在数值方法、软件技术方面，国内软件不如国外软件，而且存在着距离拉大的趋势。

3 应用情况

上世纪八十年代以来，盆地模拟技术在国内各油田得到广泛应用，在油气勘探中发挥着越来越重要的作用，极大地促进了油气田的发现和油气探明地质储量的增长。

3.1油气资源评价

油气资源评价是石油地质工作的一项重要研究内容，其主要任务是分析和计算某一特定区域的油气资源分布状况、规模概率与和资源序列等，为编制勘探开发方案具有重要参考价值。盆地模拟系统提供的生烃史、排烃史、运移聚集史是油气资源评价最重要的研究内容。

盆地模拟法是油气资源评价方法中成因预测法的典型代表，该类方法的最大优点是：（1）有完整的油气成藏理论支持，模拟参数与模拟结果的地质意义明确；（2）模拟过程体现油气成藏过程研究中循序渐进和环环相扣的技术特点，容易被人们所接受[15]。另外，盆地模拟法在计算过程中可以不断调试模拟参数、修改数值模型，反复进行模拟，计算结果可信度较高，在油气资源评价工作中发挥着重要作用。

在全国第二次油气资源评价（1992～1994年）中，盆地模拟技术的应用达到了高潮，参加该项研究的国内各油田和研究单位基本上都应用了盆地模拟技术（大部分为国产盆地模拟软件），并将其作为主要的技术方法和评价手段。在第三次全国油气资源评价（2000～2003年）中，中石油、中石化和中海油的各油田与研究单位也都不同程度地使用了盆地模拟技术。

3.2沉积盆地分析

沉积盆地分析，简单地说，就是研究盆地地层，主要是描述沉积盆地的沉降史和古地理演化[16]。盆地分析是油气勘探研究的永恒课题，其目的是通过研究含油气盆地不同时期的沉积环境，了解不同地层单元形成时的沉积条件和演化关系，探讨构造作用对盆地成因、盆地形成期的构造格架和现今构造轮廓所施加的影响，为寻找油气藏提供可靠的地质依据。

定量数学模拟用于沉积盆地分析的研究始于二十世纪六十年代，此后得到迅速发展并已进入可进行油气预测的实用性阶段[17]。应用计算机模拟沉积盆地的充填过程，使对整个盆地演化的动态分析成为可能。早期的一维模拟侧重于盆地沉降史、热史和生烃条件研究，对沉积充填过程无能为力。随着层序地层学的出现，层序地层分析技术建立了完整的、较为严格的地质－成因模型，实现了大型沉积断面上的地层格架模拟，为预测盆地内生、储、盖层的分布提供了新的途径。

盆地模拟对沉积盆地的地质要素及其相互作用过程进行动态分析，改进和完善了盆地分析的传统方法。作为沉积盆地分析的定量手段，盆地模拟既不能代替盆地分析，也不能脱离盆地分析而单独进行，应当与盆地分析紧密结合起来，并且以盆地分析为基础。

3.3含油气系统研究

含油气系统是20世纪90年代兴起的石油地质学重要进展，Magoog等将其定义为“一个自然的烃类流体系统，其中包含活跃的烃源岩、所有与其相关的石油和天然气以及形成油气聚集所必需的地质要素和作用”。上述概念常被简单地表示为油气从生烃灶排出，经过输导层运移到圈闭中聚集的一次过程[18]。

作为相对独立的油气生、排、运、聚单元，盆地模拟所研究的对象、内容与含油气系统是基本一致的，因此含油气系统是最适于做盆地模拟评价的地质单元。盆地模拟的定量、动态、四维时空以及实时模拟特点为含油气系统的研究提供了技术保证[19]。可以说，含油气系统是盆地模拟的研究目标，盆地模拟是含油气系统的定量研究工具。

应用盆地模拟技术实现含油气系统的动态数值模拟，已经取得了很大进展。圈闭的形成和油气的生成、运移、聚集等地质作用过程的研究及油气成藏关键时刻、展布范围的确定等，完全需要利用盆地模拟技术进行重建与描述，含油气系统的“四图一表”与盆地模拟结果关系密切。只有按照盆地模拟的方法来研究含油气系统，才能真正揭示含油气系统内的油气成藏规律。

3.4圈闭预探部署

如何科学地用最少的钻探工作量，高效率地发现油气田，是评价圈闭预探水平的主要标准之一。对于一个新的勘探区带，第一口预探井应部署在圈闭最有利的部位，确保获得工业油气流，才能打开该区带的勘探局面。但由于基础资料欠缺、地质认识水平低，新区勘探往往存在着较大风险。即使通过地震资料发现了有利的圈闭，但也无法确定生油洼陷中烃源岩排出的油气能否运移至此、圈闭能否聚集油气成藏。

要认识某一区带有无勘探潜力，盆地模拟无疑是一种行之有效的方法和技术。通过二维盆地模拟，基本可以确定油气的分布范围，为预探井设计的指明方向，目前，盆地模拟的成果虽然还没有能够真正应用到勘探部署中去，但对于新区预探井位的确定具有一定参考价值。

盆地模拟不仅是拓展油气勘探思维的一种研究方法，而且是提高油气发现率的一种勘探技术。在我国，盆地模拟已经同圈闭描述评价和油气藏描述评价一起成为油气综合勘探方法的重要组成部分，通常也是井位综合论证需要使用的技术方法之一[20]。

4 结语

三十多年来，随着油气地质理论、计算机技术与数值模拟方法的迅速发展，盆地模拟技术取得了长足的进展。在空间上，由一维模型发展成二维模型、三维模型；在相态上，由单相（流体）发展成二相（油、水或气、水）、三相（油、气、水），目前正朝着多组分方向发展；在功能上，从单一、简单的模拟计算向地质家综合评价应用平台方向发展。

盆地模拟技术为推动石油地质定量化研究和提高油气勘探效益发挥了巨大的作用，在21世纪仍然具有广阔的发展前景，含油气系统数值模拟、基于盆地动力学演化的全三维油气盆地动态模拟系统、由大型勘探数据库支持的盆地动态模拟系统、“人工干预界面”和“综合评价”技术、盆地模拟数据可视化系统将是盆地模拟的主要发展方向[21-26]。随着勘探技术的不断进步，对含油气盆地演化和油气成藏机理的认识将大大加深，地质模型和数学模型将更趋完善，盆地模拟技术也必将发展到一个崭新的阶段。

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