盆地和含油氣系統模擬(BPSM)研究現狀及發展趨勢

劉可禹，劉建良

1 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院, 青島 266580 2 青島海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室, 青島 266071

石油地質

盆地和含油氣系統模擬(BPSM)研究現狀及發展趨勢

劉可禹1,2*，劉建良1,2

1 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院, 青島 266580 2 青島海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室, 青島 266071

盆地模擬在現代油氣勘探、石油地質綜合研究以及油氣資源評價中都發揮著重要的作用。本文基于大量文獻調研，結合近幾年研究認識，系統概述了盆地和含油氣系統模擬(Basin and Petroleum System Modelling, BPSM)在國內外的研究現狀及存在的問題，指出了地層正演和含油氣系統耦合及地應力和含油氣系統耦合模擬的盆地模擬發展趨勢。認為盆地模擬將來的發展方向是：1)三維、高精度和高計算速度模擬；2)新算法應用和新模塊嵌入；3)靜態地質要素定量表征精細化；4)構造復雜地區盆地模擬；5)常規-非常規油氣系統聯合模擬。

盆地模擬；研究現狀；發展趨勢；耦合模擬；鄂爾多斯盆地

0 引言

傳統的盆地和含油氣系統研究多以定性的描述和分析為主，但隨著數學、現代電信科學以及計算機技術的發展，研究手段開始由定性向定量方向轉變，這也是自然學科的一般發展趨勢[1-2]。由于地質過程所涉及的空間大、時間長、影響因素多、相互作用復雜，很難用實物的物理模擬和化學模擬方法來再現，在一定程度上阻礙了人們對各種地質過程深入和全面的認識，也阻礙了地質科學的定量化進程[3]，這就亟需一種定量化方法解決這一挑戰。盆地和含油氣系統模擬(BPSM)是定量化研究盆地演化過程的常用手段。

盆地模擬是基于物理、化學基本原理和地質過程，在時空概念下由計算機定量地模擬油氣盆地的形成和演化，烴類的生成、運移和聚集，能夠直接揭示含油氣盆地的本質規律[4]。盆地模擬綜合了地球科學中幾乎所有的學科，包括基礎地質、地質力學、地球物理、地球化學以及地球熱力學等[5]，能夠將一系列與油氣形成與分布相關的地質要素和地質過程定量化[6]，還能對輸入的基礎地質數據進行合理性和準確性的快速檢測[7]。含油氣系統是油氣地質學與系統科學相結合的產物，為油氣地質工作者提供了一種新的思想和方法[8]。吳沖龍等建議采用“廣義的”油氣系統概念，將研究對象和模型在垂向上劃分3個級別，即油氣區(或超大型盆地)級油氣系統、盆地(或疊合盆地)級含油氣系統和凹陷(或亞盆地)級含油氣系統[3,8-9]。含油氣系統模擬的原理和方法與盆地模擬基本一致，但在模擬的尺度上有所差異，更加靈活。早在1984年，Tissot和Welte就認為盆地模擬技術將會在石油工業領域，尤其是油氣勘探方面，產生革命性的影響，也預測了定量地球科學時代的來臨[10]。近些年來，仍有多位國內外權威學者表達對盆地模擬的高度認可和評價，其中Hantschel和Kauerauf認為盆地模擬是現代地球科學的一大進步[7]，而石廣仁也認為盆地模擬仍是目前油氣勘探大力發展的技術，是石油地質定量化研究的熱門手段，被譽為油氣勘探七大關鍵技術的第二個技術[4]。盆地模擬在油氣勘探的各個階段都有所應用，已成為油氣勘探日常地質分析的必備技術，能夠很好的幫助地質學家理解油氣系統[4,11-12]。本文在大量文獻調研的基礎上，結合近幾年研究認識，首先概述了盆地和含油氣系統模擬的發展歷程，進而總結了研究現狀并發現目前存在的問題及不足，然后闡述了盆地模擬的發展趨勢，最后介紹了一個地層正演與盆地耦合模擬的應用實例。

1 發展歷程

盆地和含油氣系統模擬的興起和發展與計算機技術的迅猛發展和人們對地質過程的認知程度密切相關，隨著計算機計算能力的不斷提高以及人們對各種地質過程理論認知的逐漸深入，盆地和含油氣系統模擬技術發展至今，總體沿著由簡單向復雜、由一維向三維、由自用向商業化的方向發展(表1)。

世界上第一個盆地模擬系統是在1978年由原西德尤利希公司石油與有機地球化學研究所建立起來的，即基于正演地史的一維盆地模擬系統[13]。自此，國內外各大石油公司和研究機構相繼開展方法研究和軟件研制工作，推出了不同維度、規模以及各具特色的盆模軟件[14-16]。日本石油勘探公司在1981年建立了世界上第一個簡化的二維盆地模擬系統[17]；后又于1987年建立了一個一維排烴模型，完善了1981年盆模系統中的排烴部分[18]；隨后又在1988年與美國南卡羅拉那大學合作推出了一個較完整的二維盆地模擬系統[19]。法國石油研究院于1984年建立了較完整二維盆地模擬系統[14]，同年英國BP石油公司開發出油氣二次運移聚集二維模型[20]。在完善一維盆地模擬系統的基礎上大力發展二維模擬，是20世紀80年代國外盆地模擬發展的特色。進入90年代，盆地模擬開始全面發展，軟件系統由早期的剖面二維向平面二維和三維模型發展，盆地模擬在廣泛的實際應用中得到不斷的發展和完善，整體形成以法國石油研究院(IFP)的TemisPack、德國有機地化研究所(IES)的PetroMod(后于2008年被斯倫貝謝公司收購)以及美國Platte River公司(PRA)的BasinMod為代表的三大主力商業化盆模軟件，這三大軟件目前仍在根據勘探和用戶需求不斷推出新的版本，除BasinMod目前只能進行1D、2D和2.5D的模擬外，其他兩款軟件均可以進行1D、2D和3D的模擬。其他一些商業化盆地模擬軟件，如Zetaware公司的Trinity和哈里伯頓公司的Permedia，也都是在20世紀90年代至21世紀初相繼推出及完善的，Trinity目前版本為T3，可以進行1D至3D的模擬；而Permedia的前身是MPath，主要用于高分辨率的油氣運移路徑預測及油氣充注歷史模擬，后于2010年被哈里伯頓公司收購，并于2011年更名為Permedia。此外，還有國際多家油氣公司都在不同程度上研發了公司專有的系統，如挪威石油公司開發的SEMI盆地模擬軟件[21]。

我國的盆地模擬技術是在20世紀80年代初期跟蹤西方技術的基礎上發展起來的[12,16]。最早的一套盆地模擬軟件系統是在1980年由中石化勝利油田建立的，是在原西德一維模擬軟件的基礎上進行改進，建立的一套SLBSS模擬系統[12,22]。之后，國內三大石油公司都對盆地模擬系統進行大力發展。中國海洋石油勘探開發研究中心在1987年開發出一維盆地模擬系統(HYBSS)；在1989年相繼推出一維盆地模擬專家系統(PRES-BAES)和烴類運聚評價系統(PRES-MIGS)，在全國第二輪油氣資源評價中發揮重要作用；在1996年，與美國加州大學GeoSolv公司合作研制出二維盆地模擬評價系統(ProBases)[23-24]。中國石油勘探開發研究院于1989年自主研制出一維盆地模擬系統(BAS1)[25]；隨后在1990年推出二維盆地模擬圖形工作站系統(BMWS)；在1996年，研制出全新的盆地綜合模擬系統(BASIMS)[26]。中石化無錫地質研究所于20世紀90年代，基于朱夏先生提出的大地構造與油氣聚集系統關系的3T(Tectonics, Time, Thermal regime)-4S(Subsidence, Sedimentation, Stress, Style)-4M(Material, Maturity, Migration, Maintenance)程式，即“環境-作用-響應”關系式，開發出了TSM盆地模擬系統[27-28]。1998年，中國地質大學(武漢)與中海油研究院在明確含油氣系統各子系統之間相互作用及反饋控制的基礎上，建立了油氣生、排、運、聚的動力學方程，進而聯合研制出油氣成藏系統動力學模擬軟件(PSDS)，初步實現了油氣成藏動力學的整體模擬[29]。此外，中石化勘探開發研究院也于近幾年推出了自主研制的一體化油氣資源評價軟件(PetroV)[30]。

2 研究現狀

2.1 技術方法研究現狀

盆地和含油氣系統模擬的內涵都是在地質時間格架內，對一系列地質過程進行動態模擬[7]。完整的模擬系統需要由五個模型(簡稱“五史”)有機組成，分別為地史模型、熱史模型、生烴史模型、排烴史模型

(初次運移)和烴類運聚史模型(二次運移)[4,16]，每個模型又是由多個地質過程組合而成。盆地模擬的基本流程為：在盆地分析的基礎上，對每一個地質過程建立相應的概念模型，再用數學方法定量化表達，然后利用計算機語言將各數學模型有機的銜接起來，最后形成可視化的操作界面并輸出模擬結果。地質過程描述的越詳盡，數學模型建立的越精確，模擬出來的結果就越接近實際地質。

表1 盆地和含油氣系統模擬發展歷程簡表Table 1 Basin and petroleum system modelling development history

盆地模擬的五史模型并非相互獨立，而是相互依存和相互支撐的。地史模型是油氣系統賦存的地質基礎，主要是對油氣盆地沉積和構造演化過程的重建，可以為后續的熱史、生烴史、排烴史和運移聚集史的模擬提供有效地時空模擬范圍[26]。采用的模擬方法有：回剝方法[31]、超壓方法以及回剝與超壓相結合的方法[16]。

熱史模擬是地質系統向油氣系統轉化的關鍵，它的作用在于恢復盆地的古熱流史和古溫度史，進而為生烴史的模擬提供溫度場[26,32]。目前，常用的熱史恢復方法有三種，即地球熱力學法、地球化學法和結合法[33]。地球熱力學法是以地殼中熱傳導的原理或者盆地的形成機制來重建盆地的熱史，是一種正演恢復技術，包括有擴張模型和Falvey模型，前者只考慮熱傳導，適用于拉張盆地，后者不僅考慮熱傳導，還考慮了孔隙介質流動時的熱對流，而且不考慮盆地的力學性質，適用于各類盆地[34]。地球化學法是利用地化數據來恢復古地溫及其演化規律，是一種反演方法，常用的數據有鏡質體反射率、流體包裹體、磷灰石裂變徑跡和生物標志物等，其中利用鏡質體反射率確定古熱流的方法[35]被認為是“最準確、最好的方法”[36]。結合法在熱史恢復中應用最為普遍，是將正演和反演技術相結合，利用已知的地層信息和古溫標資料作為約束條件，對盆地的熱史進行模擬。

生烴史模擬是在對烴源巖地化特征綜合評價的基礎上，對其成熟度史和生烴量史的重建，為油氣的生成及后續的排出和運移提供直接的物質基礎。由于生烴機理研究的已比較深入，生烴史是五史模型中相對最成熟的模型[12]。目前盆地模擬中主要利用兩種指標來表達烴類的成熟度：鏡質體反射率(RO)和干酪根降解率[26]，它們同時也是生烴量史計算的重要參數。重建烴源巖成熟度史就主要利用上述兩種參數，方法有TTI-RO法[10,16]、Easy RO法[37]和化學動力學法[10,26,38]。生烴量史是指每套烴源巖層在各個時期的生烴量，包括實驗模擬法、熱化學動力學法和物質平衡模擬計算法[2]，其中物質平衡法是前蘇聯學者B.A.烏斯賓斯基(1954)針對煤中有機質轉化產氣量計算出來的[2]，被國內外學者認為是最有論據性的辦法，后來這一方法被龐雄奇改進后能應用于任何母質在不同地史階段產油量計算，考慮的產物組分可達十種以上[39]。

排烴史模型是油氣運移的關鍵環節，其作用是重建油氣盆地的排烴量史，為后續的二次運移及聚集史模擬提供烴類演化環境。常用的排烴史模擬方法包括壓實排油法[16]、壓差排油法[16]、有機質成氣膨脹排氣法[40]和排烴門限法等[39,41]。

烴類運聚史模擬建立在以上四史模型的基礎上，是盆地模擬最重要的組成部分，對油氣資源評價和有利勘探目標預測具有重要意義[42]。目前，常用的運聚定量模擬技術有以下4個：多相達西流法(Darcy)[43-44]、流徑法(Flowpath)[7,45]、侵入逾滲法(Invasion Percolation)[46]和混合法(Hybrid)[7]。多相達西流被認為是描述流體在孔隙介質中流動最精確和復雜的物理方法，目前已在油藏數值模擬中成功應用[7]，在盆地模擬中，適用于滲透性較差地層中油氣運移的模擬[47]。流徑法主要適用于滲透性較好的地層，以浮力為主要驅動力，計算耗時較少。侵入逾滲法適用于模擬地層幾何形狀復雜、網格密度較高條件下油氣的運移，模擬油氣的運移是瞬時發生的，計算速度較快[48]。混合法是將多相達西流法和流徑法相結合，在低滲透條件下使用達西流方法，而在高滲透條件下利用流徑法。

2.2 各主要模擬軟件研究現狀

盆地模擬技術興起至今已有40多年的歷史，目前國內外已研發出許多不同規模、各具特色的模擬軟件。但近年來，新研發的盆模軟件較少，主要是在原有較成熟的商品化軟件基礎上，通過改進模擬技術和增加新的模塊等方法，來不斷適應和滿足油氣勘探及地質科學發展的需求。

目前國內外應用較為廣泛、認可度較高的盆模軟件主要有斯倫貝謝的PetroMod、PRA公司的BasinMod、法國石油研究院的TemisFlow和Zetaware公司的Trinity。這些軟件都可以進行完整的3D盆地模擬(除BasinMod外)，但又各具特色。PetroMod軟件：1)注重于“庫概念”的建立，擁有最豐富的地質模板和經驗參數，如生烴動力學模板和標準的巖性模板，使建模過程簡單化；2)具有高度集成、個性化的操作界面；3)先進的油氣運移算法，不僅提升了計算速度，而且更加貼近實際地質規律，例如達西和侵入逾滲組合法(Darcy+ Invasion Percolation)的提出，對非均質性較強的復雜巖相儲集層以及網格數量龐大的模型都有較好的應用，可以對流體的充注、溢出及滲漏歷史進行較好的模擬[49-50]；4)模擬精度較高，擁有局部網格加密技術，可進行多尺度(如盆地、凹陷和油藏)模擬；5)可與Petrel平臺銜接，建立完善的油氣勘探、開發、生產一體化流程。BasinMod模擬軟件：1)注重與測井曲線的結合，不僅支持LAS格式文件的輸入，還能進行測井孔隙度、剝蝕厚度的計算，直接為模型的建立提供參數；2)具有“Bridge”功能模塊，支持多種格式數據輸入，能將產業標準的數據(如Petra、IHS297數據)直接輸入到盆模軟件中，使模型的建立更加便捷、高效；3)支持通過現今TOC值進行原始TOC的恢復計算。TemisFlow軟件：1)具有創新的數據管理方式，利用“方案樹”的模式，可以處理連續多個模型，記錄每個方案的工作，使各方案之間數據調用更加方便，并能夠實現多個方案的對比；2)使用生烴動力學連續反應方法，能夠有效、準確地描述干酪根轉化成石油的過程，預測早期或晚期天然氣的生成，并準確地描述天然氣的組分和濕度；3)在油氣運聚模擬方面，采用有限體積法，具有保證網塊物質平衡、準確處理復雜邊界和運算速度快的優點；4)具有精細的局部網格加密技術；5)能夠與Dionisos沉積地層正演模擬軟件很好的結合，將地層正演模擬的結果輸入到TemisFlow軟件中，完成對目的層巖相的精細刻畫，進行高精度的盆地模擬。Trinity模擬軟件：1)具有使用便捷的特征，不僅能與幾乎所有數據類型兼容，還能自動檢測和選取合適的輸入數據文件；2)對不同的Scenarios(方案)能夠進行快速的測試，優選出合適的方案或進行敏感性分析；3)若一套厚層烴源巖中包含多套不同類型的烴源巖小層，可分別進行定義及賦值，選取不同的生烴動力學模型，而不是簡單的將其混合平均后選取一個動力學模型，模擬結果更加接近實際地質；4)提出一種利用地殼厚度和沉積速率來預測大地熱流值的方法，優化了熱史模型；5)開發出油氣運移滯后新模塊，定量地建立起烴類生成、運移散失、圈閉大小以及流體性質之間的關系，對油氣勘探風險評價和流體性質預測都具有重要的意義[51]。近些年來，隨著非常規油氣勘探熱度加大，上述四個軟件公司都加大了盆地模擬技術在非常規油氣領域應用的研究，推出了各自的“非常規油氣”模擬模塊，主要集中在對頁巖氣和煤層氣的吸附氣量模擬計算，個別軟件還可以進行溶解氣和游離氣含量的計算(如Trinity)。

與國外軟件相比，國內盆地模擬軟件盡管在某些方面考慮的比國外周到，但整體上在數值方法、軟件水平及商品化程度方面均存在一定的差距，而且大部分國內軟件推出新版本的速度較慢。目前，由中石油勘探開發研究院自主研制的BASIMS軟件已在國內各大油田和研究機構應用，是應用最為廣泛的國內盆模軟件。BASIMS軟件：1)在地質模型構建方面比國外稍強，其考慮了多種復雜的地質現象，如斷層和盆地類型等；2)已開發了將“模擬結果”、“其他地質資料”及“地質家經驗”三者結合起來的操作平臺，在綜合評價方面優于國外軟件[16]。此外，TSM盆地模擬系統側重于對復雜含油氣盆地的數值模擬，通過對盆地形成過程中不同時期盆地原型和疊加關系的分析，來得到原型盆地中烴源巖的分布預測以及多期疊加作用下烴源巖的演化和油氣響應模型[52]，適用于對我國中西部疊合盆地的數值模擬。油氣系統動力學模擬(PSDS)考慮到油氣成藏過程的非線性特征，以及常規盆地模擬中普遍存在的缺陷，采用系統動力學的思路和方法，避開了尚存爭議的一系列化學動力學和物理動力學問題，運用一些確定性的物理、化學定律，從總體上把握其中能量轉化、物質轉移和信息轉移規律，進而實現對油氣資源量和勘探目標的預測和評價[8]，是側重于含油氣系統的一種模擬方法。

2.3 應用現狀

盆地和含油氣系統模擬在油氣勘探和開發的多個方面都有應用，本文主要總結了以下8個方面的應用。

1)數據的質量控制：盆地模型建立的過程就是對輸入數據進行質量控制的過程，一些錯誤的或不符合地質規律的數據不能輸入到盆模軟件中或模擬出來的結果與實測數據相差較大，通過模擬的方法都可以識別出來，進而確保地質數據的真實可靠。

2)勘探風險評價：通過對影響油氣生成或聚集的幾個關鍵參數進行正態、三角或二次分布的分析，利用概率為50%(P50)的值，對多個可能的油氣聚集區進行勘探風險評級，進而指導油氣勘探[53]，還可以利用蒙特卡洛方法進行油氣勘探風險的評價[54]。

3)參數敏感性分析：利用單變量分析的方法，即改變一個變量的值而保持其他輸入參數不變，建立多個模擬方案，通過模擬結果與實測數據的校正來優選該變量最合適的值，并分析該變量的變化范圍與模擬值的響應關系，進行敏感性分析，如對熱流值和剝蝕厚度的敏感性分析[55-56]。

4)油氣成藏期和成藏過程定量分析：目前普遍認為盆地模擬中埋藏史、熱史和生烴史模型較為完善，而在油氣運移方面的研究較為薄弱[42]。在實際應用中也可以看到，與油氣運移相關的2D和3D模擬相對較少，而1D模擬相對較多，且主要應用于單井的熱史和烴類成熟度史分析，再結合其他手段，如流體包裹體等，進行油氣成藏期的定量確定。利用2D和3D的盆地模擬，還可以定量地分析油氣成藏過程[57-58]。

5)油氣資源評價：盆地模擬是進行油氣資源評價的重要方法之一，目前可進行3D和部分2D/2.5D盆地模擬的軟件都可以定量地計算平面范圍內油氣的生、排、運、聚量，進而對油氣資源量定量評價。

6)鉆井施工過程中的應用：盆地模擬可以有效地預測地層壓力，其預測的準確性在油氣鉆井施工過程中非常重要，準確的地層壓力預測不僅能保障鉆井施工過程中的安全性，還能節省鉆井的時間和成本，并為后期試井及生產提供準確的壓力參數[59]。在非常規地層中，地層孔隙壓力還對人工壓裂和完井的成功起著非常重要的作用，也影響著非常規油氣的生產速率及最終采收率[60]。

7)非常規油氣勘探領域：盆地模擬技術已在非常規油氣勘探的多方面開始應用，主要包括：頁巖氣和煤層氣中含氣量的計算[61]、地層壓力的預測[60]、致密油氣和頁巖油氣聚集甜點區的優選[62-64]、天然氣水合物資源量評價[65]、生物氣的生成、運移及保存[66]。此外，盆地模擬技術也開始在其他地質資源(如地熱和二氧化碳存儲)評價中應用。

8)與其他軟件相結合：對于一些復雜的地質問題，只利用盆地模擬技術往往很難準確的模擬出來，這就需要與其他軟件相結合。目前，盆地模擬軟件已成功的與Sedsim和Dionisos等地層正演模擬軟件結合起來，能夠精細地定量表征烴源巖、儲集層和蓋層的沉積非均質性，可以較好的應用于巖性和非常規油氣領域[62,67-68]。對于擠壓構造地區，盆地模擬還可以與構造恢復軟件(如Dynel)相結合，構建準確的地質模型。此外，盆地模擬軟件還可以與Petrel軟件整合，進行油氣勘探開發一體化研究。

3 問題與挑戰

雖然目前盆地與含油氣系統模擬已在油氣勘探開發的許多方面應用，但仍存在一些亟待解決的問題，也面臨著挑戰。吳沖龍等早在20世紀90年指出盆地動力學與油氣成藏模擬當時普遍存在系統觀念薄弱且對盆地系統及其各子系統之間的反饋控制機理重視不夠；與盆地分析脫節導致概念模型過于簡化，難以反映實際油氣成藏過程；數學模型單一且偏于確定性，難以具體地描述油氣成藏動力學過程的非線性特征[69]。現今來看，這些問題依然沒有很好的解決，許多模型還需進一步完善，如流體動力模型、斷層封閉性模型、孔隙流體壓力模型、成巖作用模型、構造模型、地質模型等，而且軟件研發者多側重對單個模塊的完善或添加新模塊，也缺乏對各模塊之間反饋的非線性關系研究。

三維空間內油氣的運聚模擬被認為是世界級的技術難題[12]，盡管有些軟件產品的理論與算法比較全面和完善，但也都沒有達到實用化的水平，大部分油氣運聚模擬應用體現在理論性和探索性研究方面，缺乏實際指導價值[70]。這是由于油氣的運聚模擬需考慮多方面的問題，包含多個子模型，而部分子模型本身還需進一步完善：1)地質模型：巖性的非均質性對油氣的運移路徑及聚集位置均具有控制作用，尤其在巖性和非常規油氣中，但常規的盆地模擬在構建地質模型時很難考慮目的層在空間范圍的巖性非均質性；2)斷層封閉性模型：斷層在油氣運移及聚集方面具有重要作用，但目前較為常用的方法是利用人工干預方法進行斷層開啟和封閉時間的設置，缺乏利用專業模型模擬的技術方法；3)構造模型：目前的三維盆地模型還無法進行側向構造運動的模擬，但是在構造復雜地區，側向構造運動也是油氣運移的關鍵因素之一；4)流體動力模型：經典的油氣運聚模式是基于浮力和毛細管力相互作用的，沒有考慮復雜的多物理場(地溫場、地壓場、地應力場)作用下油氣的運、聚模式。此外，對于非常規油氣的流動狀態也需要進一步研究，因為非常規油氣的勘探和開發常常涉及到納米尺度(接近分子尺度)的孔喉，而在分子尺度下，許多在牛頓力學理論下的假設已不再成立，另外在納米孔中分子流動存在滑移邊界效應，即在流動邊界流體速度不是零，因此需要在盆地與含油氣系統模擬中增加分子動力學模塊，以實現對非常規油氣賦存狀態、運移和聚集更準確的定量模擬。

成巖作用模擬也是目前盆地模擬中較薄弱的環節，一般通過人工干預的手段實現在某一時期孔隙的增減，沒有建立在沉積微相、沉積間斷和流體成分的基礎上，對水-巖相互作用下的巖石膠結、交代、溶蝕等成巖作用的正演模擬。

4 發展趨勢

近些年來，客觀上隨著計算機技術的不斷進步，主觀上由于人們對地質理論認識的不斷完善以及油氣勘探需求正逐漸由常規、構造相對簡單的油氣藏向非常規、巖性以及構造復雜地區的油氣勘探領域發展，常規的一維、二維和簡化的三維盆地模擬已無法滿足人們對這些領域油氣勘探的需求，這就促使著盆地模擬技術不斷向更加精細以及更為接近和反映實際地質規律的方向發展。作者在追逐和調研了國內外研究現狀基礎上，總結出目前盆地模擬的五個發展趨勢。

4.1 向三維、高精度和高計算速度方向發展

含油氣盆地的勘探程度不同，宜采用的盆地模擬維數也不同。在勘探程度較高的盆地，由于鉆井數量較多及地震覆蓋面積較廣，有充足的數據用于構建盆地模型并進行校正，可進行精細的三維盆地模擬；對于勘探程度中等的含油氣盆地，適宜進行二維的盆地模擬；在勘探程度較低的盆地，由于井控數量少，可進行一維單井的埋藏史、熱史和生烴史的模擬[4]。一維盆地模擬又被稱為成熟度史模擬，在油氣勘探中應用最廣，也最為成功[71]。相比之下，二維和三維的盆地模擬更加側重于剖面和空間范圍的油氣運移和聚集模擬，目前在油氣勘探和資源評價中的應用也越來越多。相對于一維和二維的盆地模擬，三維模擬具有以下三個明顯的優勢：1)能夠對盆地內各沉積單元的沉積量進行表征，對含油氣系統中各要素的確定更為準確；2)可以提供空間范圍的古、今溫度和熱流場，對烴源巖成熟度演化史的模擬更為準確；3)可以在三維空間內對油氣的運移和聚集進行模擬[57]。對含油氣盆地進行三維模擬已經成為盆地模擬的一個主要發展趨勢。

盆地模擬技術的發展在很大程度上依賴于計算機技術的進步，主要與其運算能力緊密相關。在對含油氣盆地進行二維或三維模擬時，需要將地質模型劃分成多個網格。一般地，網格數目越多，建立的地質模型就越精細，模擬結果也就更加接近于實際地質，但對計算機運行和存儲能力的要求也就越高；反之亦然。慶幸的是，近些年來，隨著計算機技術突飛猛進的發展，我們已經有能力對幾百萬甚至上千萬網格的地質模型進行盆地模擬運算[49]。同時，計算速度也是人們關注的一個關鍵問題，如果網格分辨率較高的盆地模型在模擬運算時速度很慢，勢必也不會在油氣勘探中有廣泛的應用。早在1998年，Waples就提出盆地模擬軟件將朝著操作簡單、運行速度快的方向發展[71]。斯倫貝謝公司也在其2015版PetroMod軟件中，新增了“并行計算”模塊，可對網格數目多、分辨率高的模型進行多核同時運算，大大提高了模擬運算的速度。

4.2 各子模塊中新方法的提出和新模塊的加入

盆地模擬“五史”模塊的每一個模塊都包含著許多地質模型和數學運算方法，它們是構成盆地模擬的核心部分。但是，隨著人們在實際勘探中遇到不同的問題以及對地質認識的不斷深入，可能發現一些原來的地質模型不能準確的反映實際地質情況，或某些計算方法尚需改進，這些問題都不斷地促使和激勵著人們提出新方法、增加新模塊，如最近提出來的油氣運移[49-50]、孔隙度計算[72]和壓力預測[59,73]的新方法以及油氣運移滯后新模塊[51]。

4.3 靜態地質要素定量表征精細化

在傳統的三維盆地模擬中，烴源巖、儲集層和蓋層的巖相一般被賦予均一相，或從各自沉積相圖、測井和地震資料解釋中獲取，這種巖相表征方式比較粗糙，一般不考慮沉積地層的非均質性或非均質性考慮的比較簡單，這樣的盆地模型對構造型圈閉發育的地區有一定的適用性，但卻無法滿足巖性和非常規油氣的運移和聚集模擬。這是因為在巖性儲集層中砂泥巖在空間范圍內交互頻繁、相互疊置，而在非常規油氣勘探過程中，烴源巖和儲集層經常混合在同一地層，難以分開，在空間上都表現出較強的沉積非均質性。隨著油氣勘探不斷向巖性和非常規油氣領域過渡，對這些靜態地質要素進行精細的巖相和其他輸入參數的定量表征，再進行三維盆地模擬，是有效預測油氣勘探有利區及資源評價的重要手段，也是在傳統的盆地模擬基礎上前進了一步。目前，已有學者開始在這方面進行探索性研究，提出了利用地層正演模擬與盆地模擬相耦合的方法，在對三維空間內沉積非均質性定量表征的基礎上，進行地史模型的構建及后續的熱史、生烴史和油氣運聚史模擬，如地層正演模擬軟件Sedsim分別與PetroMod[62]和TemisFlow[67]相耦合，以及Dionisos與TemisFlow相耦合[68]。此外，地層正演模擬還可以輸出沉積時古水深結果，進而可以建立古水深與烴源巖有機質豐度(TOC)之間的定量關系，是烴源巖輸入參數精細化的發展方向之一。

4.4 構造復雜地區的盆地模擬

對構造復雜條件下的含油氣系統進行盆地模擬依然是一項復雜且富有挑戰性的任務[7]。在構造復雜地區，尤其是擠壓斷層和鹽構造發育環境下，利用常規的回剝法進行地史恢復已不再適用，因為在地史恢復過程中，不僅要考慮垂向上地層的厚度變化，還要考慮水平方向上地層的縮減，可能會造成一套地層在垂向上多次鉆遇，具有多個深度值的情況，而傳統的盆模軟件已不能有效地模擬這種類型盆地。

目前，一些學者嘗試利用構造恢復與盆地模擬相結合的方法，對復雜構造地區進行二維盆地模擬，雖然該方法還存在一些不足，但也在墨西哥灣鹽構造地區和阿爾巴尼亞擠壓構造地區成功應用[74]。利用PetroMod軟件中的TecLink模塊也可以對逆沖斷層發育地區進行二維的盆地模擬，該方法需要將地層剖面劃分成多個“Block”，但在構造演化過程中，仍保持其結構的完整性，通過對每一個“Block”的模擬，來實現對整個地層剖面的模擬[58]。此外，考慮水平擠壓應力作用下孔隙度的變化也是今后的一個研究方向，對構造擠壓型盆地模擬的準確性會有較大的提高。法國石油研究院與道達爾公司(2016)共同提出將盆地模擬與地質力學相結合，來實現在垂向壓實和水平擠壓應力共同作用下，對地層孔隙度的計算[72]。因此，完善構造復雜條件下的二維盆地模擬技術并發展三維模擬技術也是盆地模擬的發展方向之一。

4.5 向非常規油氣勘探領域發展

作為含油氣盆地分析中廣為應用和接受的方法之一，盆地模擬已經在常規油氣勘探和資源評價中起到重要作用。近幾年來，隨著非常規油氣勘探成為熱點，盆地模擬也已經開始在非常規油氣領域應用，并且取得不錯的應用效果[75]。與常規油氣系統模擬有所不同，對非常規含油氣系統模擬時，還需考慮其他的一些地質因素，如烴類的吸附作用、有機質在熱演化過程中的增孔作用、地層應力場分布以及沉積的非均質性等。整體上，盆地模擬在非常規油氣勘探領域的應用尚處于嘗試和初始階段，但無論從油氣勘探需要、學科發展還是軟件功能完善的角度考慮，非常規油氣領域都將成為盆地模擬發展的趨勢之一。

5 實例應用

沉積地層正演與含油氣系統的耦合模擬對非均質性較強的巖性和非常規油氣的運聚模擬具有較好的適用性，也是目前盆地模擬的前沿技術和發展趨勢之一。本文以鄂爾多斯盆地上古生界含油氣系統模擬為例，介紹該耦合方法的模擬流程，并將模擬結果與傳統的“簡單層狀地層”模型模擬結果進行對比。

圖1 鄂爾多斯盆地構造分區及研究區范圍(a)與上古生界巖性綜合柱狀圖(b)Fig. 1 Location of the study area in the Ordos Basin showing major tectonic zones (a) and generalized lithological column of the Upper Paleozoic sequence

5.1 研究區概況

鄂爾多斯盆地分為六個一級構造單元[76-77]，分別為伊盟隆起、渭北隆起、西緣逆沖帶、天環坳陷、陜北斜坡和晉西撓褶帶，研究區位于盆地中部，包括天環坳陷和陜北斜坡的大部分區域(圖1a)。受加里東構造運動影響，上古生界下部地層整體缺失，只發育晚石炭世本溪組和二疊系地層。盆地在晚古生代經歷了由陸表海向內陸湖盆過渡的階段，主要發育淺水陸棚、淺水三角洲、河流和湖泊等沉積環境。烴源巖主要發育在上石炭統本溪組及下二疊統的太原組和山西組，是發育在海陸交互相的一套含煤層系，平面上呈“廣覆型”的沉積特點，發育有煤層、暗色泥巖和灰巖三種類型烴源巖[78]。儲集層主要發育在山西組和下石盒子組，以河道砂體和三角洲砂體為主，儲層物性差，孔隙度主要分布在2%～8%，滲透率多小于1 mD[79]。上石盒子組和石千峰組發育大量泥質和粉砂質泥巖，被認為是上古生界含油氣系統的一套重要的區域性蓋層。

5.2 耦合模擬流程

本文利用Sedsim軟件進行地層正演模擬。Sedsim是一款以水動力學方程為核心的正演模擬軟件，可以模擬沉積物的侵蝕、搬運和沉積作用，遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒[80]。模擬結果在垂向上的分辨率為厘米到米級，橫向分辨率為米到千米級別，而且每個網格都包含了巖性(如粒度大小和組分)和沉積環境(如古水深、距沉積岸線的距離等)的信息。

圖2 地層正演與含油氣系統耦合模擬流程Fig. 2 Workf l ow of coupled stratigraphic forward and petroleum system modelling

如圖2所示，耦合模擬的具體流程是：1)基于對目的層地質認識，建立其概念模型，明確模擬目標；2)進行主要參數獲取和輸入，包括沉積古地形、構造沉降、湖/海平面升降曲線、沉積物物源、沉積物粒度及供給速率等，如果需要對碳酸鹽巖和有機質生長進行模擬，則需要明確古溫度、鹽度及其生長速率；3)在此基礎上，進行沉積模擬，將模擬結果與實際地質資料進行對比，如地震、測井、巖心等，如果模擬結果與實際數據差距較大，則重新調整輸入參數再次進行模擬，直到模擬結果與實際數據的誤差在合理范圍內為止；4)沉積正演模擬結果輸出，包括目的層壓實后的厚度、砂/泥巖百分含量和古水深等，可將這些結果直接或經過轉換輸入到盆地模擬軟件中，比如，需要將各網格中砂/泥巖百分含量轉換成巖性數據輸入，將古水深數據與烴源巖TOC進行關聯和轉換；5)利用沉積模擬結果建立目的層精細地質模型，充分考慮目的層的空間非均質性，其他的盆模輸入參數需要根據相關研究來獲取，最后完成耦合模擬，定量預測油氣聚集有利區。

5.3 “非均質地層”模型-盆地耦合模擬與傳統“簡單層狀地層”模型盆地模擬結果對比

圖3 鄂爾多斯盆地上古生界兩種類型的地質模型和山西組天然氣運聚模擬結果對比。(A)傳統的“簡單層狀地層”地質模型二維剖面AB(剖面位置如圖C所示)；(B)Sedsim-PetroMod耦合地質模型二維剖面CD(剖面位置如圖D所示)；(C)傳統的“簡單層狀地層”模型山西組天然氣聚集模擬結果；(D)Sedsim-PetroMod耦合模型山西組天然氣聚集模擬結果Fig. 3 Comparisons of two geological models and gas accumulations within the Shanxi Formation in the Upper Paleozoic, Ordos Basin, from the (A, C) classical “layer-cake” model and (B, D) coupled Sedsim-PetroMod model

分別對研究區上古生界含油氣系統進行傳統的“簡單層狀地層”模型模擬以及Sedsim-PetroMod的耦合模擬，其中“簡單層狀地層”模型是將目的層山西組定義為一層，利用現今的沉積相圖進行巖性賦值，只簡單考慮了其橫向的巖相非均質性，沒有考慮其層內垂向非均質性(圖3A)，而耦合模擬是將Sedsim輸出的山西組模擬結果輸入到PetroMod中，考慮其層內橫向和垂向的巖相非均質性(圖3B)，保持這兩個模型中的其他輸入參數不變。油氣運聚模擬結果顯示，傳統的“簡單層狀地層”模型模擬出山西組的聚氣量和聚氣范圍都較小(圖3C)，這是由于傳統模型不考慮儲集層的垂向非均質性，油氣在山西組內部運移受到的遮擋較少，而且其上覆的下石盒子組也是一套儲集層，未能對山西組的油氣形成有效遮擋，油氣大都穿過山西組向上運移或從邊部散失；耦合模型由于考慮了山西組內部垂向和水平方向的巖相非均質性，油氣在進入儲集層后，其內部的泥巖夾層會改變油氣的運移方向或對油氣形成遮擋，形成眾多小規模的儲蓋組合體，聚集大量油氣(圖3D)。很顯然，耦合模擬比傳統模擬結果更加接近實際地質勘探，也對下一步油氣勘探具有一定的指導意義。

6 結論

(1)國內外盆地模擬技術經歷了由簡單向復雜、由一維向三維、由自用向商業化方向發展的研究歷程，已研發出多個較成熟、各具特色的商業化模擬軟件平臺，并繼續在完善模擬模塊、提高模擬精度、增加運行速度等方面進行著探索。盆地模擬技術已被廣泛應用在油氣勘探開發多個方面，包括數據質量控制、勘探風險評價、參數敏感性分析、油氣成藏定量分析、常規油氣資源評價、工程鉆井安全性評價、非常規油氣資源量計算和甜點區預測。

(2)盆地和含油氣系統模擬的發展趨勢可總結為以下五個方向：三維、高精度和高計算速度，新方法和新模塊的開發，靜態地質要素定量表征精細化，構造復雜地區盆地模擬以及非常規油氣勘探領域。

(3)沉積地層正演和含油氣系統耦合模擬是未來發展重要方向之一，可以更有效地模擬巖性、地層及非常規油氣藏的非均質性。鄂爾多斯盆地山西組的油氣聚集耦合模擬實例證明，與傳統的“簡單層狀”模型相比，地層正演和含油氣系耦合模型充分考慮了山西組層內巖相空間分布的非均質性，模擬出眾多小規模的巖性油氣藏，更加接近實際地質情況。

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Current status and future development trends of Basin and Petroleum System Modeling (BPSM)

LIU Keyu1,2, LIU Jianliang1,2
1 School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China 2 Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China

Basin and Petroleum System Modelling (BPSM) is becoming an essential part of modern petroleum exploration in several aspects： including hydrocarbon resource assessment, frontier basin exploration and reservoir plays and fairway delineation in mature basins. On the basis of a comprehensive review of the up-to-date literature and experience of our own research, we summarized the current status of the applications of basin modelling, some outstanding challenges and outlined future development trends. A coupled stratigraphic (forward) and basin-and-petroleum-system modelling of the unconventional petroleum resources in the Ordos Basin is presented to demonstrate the necessity of considering fi ne-scale sedimentary heterogeneities in BPSM. The main development tendencies include： 1) three-dimensional, high-resolution and high-speed computation; 2) enhancement of new simulation algorithms and methods and independent add-in modules; 3) ref i ned and quantitative characterization of petroleum system elements, including source rock, reservoir and seal rocks; 4) modelling tectonically complex basins and 5) integrated modelling of conventional and unconventional petroleum systems.

Basin and Petroleum System Modelling; current status; development trend; coupled modelling; Ordos Basin

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.02.016

(編輯 付娟娟)

劉可禹, 劉建良. 盆地和含油氣系統模擬(BPSM)研究現狀及發展趨勢. 石油科學通報, 2017, 02： 161-175

LIU Keyu, LIU Jianliang. Current status and future development trends of Basin and Petroleum System Modeling (BPSM). Petroleum Science Bulletin, 2017, 02： 161-175. doi： 10.3969/j.issn.2096-1693.2017.02.016

*通信作者, liukeyu@upc.edu.cn

2017-04-05