基于陆相断陷盆地的油气运聚模拟

孙旭东，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 430074；2.中石化 石油工程技术研究院，北京 100101；3.中石化 胜利油田物探院，山东 东营 257022； 4.中国地质大学(北京) 资源学院，北京 100083)

基于陆相断陷盆地的油气运聚模拟

孙旭东1，2，3，吴冲龙1，隋志强4，毛小平4

(1.中国地质大学(武汉) 计算机学院，湖北 武汉 430074；2.中石化 石油工程技术研究院，北京 100101；3.中石化 胜利油田物探院，山东 东营 257022； 4.中国地质大学(北京) 资源学院，北京 100083)

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。

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

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[1-2]；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[3-4]。

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[5-6]。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[7]，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[8]，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PetroMod、胜利油田的陆相断陷盆地成藏过程模拟软件PetroVIZ等[9-10]。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间的定量化描述问题。虽然近几年围绕成藏研究提出了相势控藏、TS运聚、网毯理论[11]以及“近源-优相-低势”控藏模式的陆相断陷盆地隐蔽油气藏分布预测技术[12]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

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。

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[13]。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(g△h)+W2F2+…+WnFn；

W1+W2+…+Wn=1。

式中：P为流体输导系数，Fi为影响油气输导能力的各参数，Wi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[14]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[15]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孔隙空间。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Bo可以采用经验公式Standing的饱和压力公式[16]、Glaso公式[17]与Vazquez和Beggs公式[18]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Bg，则

Bg=3.447-4zfact·T/p。

式中：zfact为天然气Z因子，平均0.9；T为温度，K；p为压力，MPa。

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：

表1 X地区沙三段油气垂向运移比率与含砂率对应关系

(1)首先建立层面网格并获取各单元的排烃量。先将工区的地层划分为m×n个拓扑单元，即将地层分界面网格化，取得各单元的排烃强度。再设X、Y方向的间隔为Dx，Dy，从每个单元中心出发，并生成一条流线的起点，然后按照气先油后的顺序计算油气运移。

(2)取得流体的运移方向。根据前文所述“油气沿储集层横向运移算法”，即通过输导系数计算可以求取分界面各点的法线，在地层面投影后取负值获得油气运移方向。

(3)计算油气运移轨迹。取得中心点的运移方向，设定一个步长D，按此步长和运移方向生成一个线段作为此流线的第一段，得到一个新的点，计算新点的运移方向，以新的运移方向按步长D再向上运移一段，依此类推，则流线就严格按法线方向运移。

(4)计算垂向运移。在运移流线跟踪过程中，如果用户设定了垂向运移参数，则流线每走一步需要查询上覆地层在当前点处的含砂率，如果含砂率大，则流线在此时所携带的油气量会垂向渗透到上覆地层，当前层位流线所携带的量将会变小。如果含砂率小于某个阈值(如15%)， 则认为是岩性圈闭， 便让油气在此聚集，此时流线轨迹计算终止。

(5)计算沿断层与不整合面运移。油气在同一层位的运移总量是不变的，如果运移路径上存在半开启的断层，部分油气将会跨过断层进行同层的横向运移，流线所携带的量将会变少；如果遇到削蚀面或不整合面，在厚度上表现为上覆地层在某一段厚度为0，这时油气运移流线将在此消失，所携带的量整个移至上覆地层，并在不整合面内运移。

(6)计算圈闭充注量。在流线追踪过程中，每走一个步长D，系统将会自动判断当前单元是否为地形高点。如果是，则流线会将所携带的烃量充注于该单元体积中的孔隙空间(有效体积空间U)。此空间中的烃充填量是总体积V与总孔隙度φ的乘积。亦即

U=(Zm-Zn)·Dx·Dy·φ。

若源不够，则运移流线终结，把此聚烃量累加到该单元的聚集量上，计算流线此时携带的烃体积所占有的烃柱高度。若空间不够，则填充完后m号单元的高度将下降至与n号单元一样，即Zm=Zn，多余的源将继续分配。油气运移过程中会遍历所剖分的各个单元，这时，从源到汇各单元通过烃量不同。将每个单元曾经通过的油气数量综合起来，表征每个单元的油气运移通量，便间接地表达了油气运移强度的概念。

基于上述数学模型，完成了软件系统设计，见图2所示。

4 应用与效果分析

车西洼陷位于车镇凹陷的西部，面积约1 100km2。该地区沙三、沙四段断层发育，断裂复杂，圈闭类型和数量都很多。模拟针对该洼陷的Qp、Nm、Ng、Ed、Es1、Es2、Ss3s、Es3z、Es3x、Es4s共10套地层。通过加载构造图并内插生成构造面，再导入断层界面和排烃强度，进而计算出油气运移路径及运移量大小，完整地实现了从地质综合研究、成果处理到油气运聚模拟的全部业务流程，最后生成相应的定量分析图件。

图2 油气运聚模拟软件运行流程

考虑到介质的非均质性是控制油气运移的关键因素，在本次模拟中，着重进行了输导层非均质性对油气运移和聚集影响的实验研究。以沙三中下段为例，其油气运移及聚集的模拟结果如图3所示。其中，图3(a)为将输导层视为均质体，取消输导系数约束的模拟结果，图3(b)为将输导层视为非均质体，加入实际输导系数约束的模拟结果。显然，在加入地质非均质性信息(输导系数)后，油气的流向显得更加不规则，有效地揭示了地质非均质属性的显著影响。与勘探成果相比较，后一种模拟结果更符合实际。

图3 车西地区沙三中下段油气运移轨迹及推测聚集平面图

模拟结果的准确性还与所取参数的可靠性、地质模型的正确性和盆地的复杂性有关。当然，模拟获得的资源量与聚集量的准确程度是难以评判的。这些模拟结果，仅仅是当前地质认识的一个量化和可视化结果，可大致确定区带的油气通量和通道的运移量，从而以定量方式揭示各地质要素间的时空配置关系(图4)。

图4 车西地区沙三中下段油气运移成果的可视化表达

通过运聚模拟结果(运移量或通过量)的可视化表达(图4)，能清晰地了解凹陷中的有利含油气区带。如果所提供的构造足够精细，则可计算出具有一定资源潜力的圈闭，并可对该圈闭进一步评价，所得到的油气藏参数包括：圈闭幅度、溢出点、面积、油柱高度等。通过建模分析和模拟，还为后续地质分析和精细评价提供了有效的数学模型。

5 结 论

针对陆相断陷盆地输导体系特点，厘清了油气运聚快速模拟机理，综合考虑了输导层非均质性、断层、不整合面及其岩性、孔隙度等介质要素和流体势等动力要素的约束，设计了多因素控制下的流体运聚算法，通过定性与定量相结合、模型与经验相结合的量化方法，实现了复杂地质条件下的油气输导过程的数学表达。

针对“油气主要通过优势通道运移，而且总是沿着阻力最小的方向和通道运移的特点”，提出了数学建模方法，基于流体势法线的运移路线追踪算法，清晰地再现了油气汇聚和运移的主通道，同时通过油气运移通量概念实现油气运移输导能力的量化表述。

研发形成了基于输导体系的油气运移量化分析工具。车西地区的实际应用表明，在资料不足或地质机制不清晰的情况下，利用该模拟分析工具，通过构造与参数调整，可有效地实现油气运移的快速模拟反馈，进而可概要地了解区域内油气的运移特点和规律，深化对油气成藏过程的认知。

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责任编辑：张新宝

2014-10-15

国家科技重大专项(编号：2008ZX05051)；国家自然科学基金项目(编号：41101368)

孙旭东(1972-)，男，博士研究生，主要从事地质勘探和数字油田研究。E-mail：thinklord@vip.qq.com

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

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