盆地综合模拟系统BASIMS

油气盆地数值模拟是近十多年发展起来的新技术。它基于石油地质机理，应用多学科知识，定量模拟一个探区（盆地、坳陷、凹陷、次凹）的地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史，从而进行综合评价，指出有利勘探地带。本文以我院研制成的盆地综合模拟系统ＢＡＳＩＭＳ为例，着重介绍地史、热史、生烃史、排烃史和运移聚集史这五大模型的最新方法以及油气资源综合评价技术。

三维三相烃类二次运移模型

提出一个关于烃类二次运移的三维 (x_y_z)和三相 (油 气 水 )模型 ,适用于具有一定数量的井和地震剖面的勘探地区。解决了一维和二维模型不能历史地在三维空间中指出烃类的分布位置及其聚集量的问题。该三维三相模型主要基于连续性方程、流动势、达西定律和状态方程 ,并考虑了沉积压实、排烃量、流动势、浮力及毛细管力等主要驱动力 ,以及岩性、断层、裂缝及不整合对运移聚集的影响。其软件已实现了真三维模拟与真三维可视化 ,能历史地提供关于油、气、水的势、压力、饱和度、运移速率及流线的各种图件 ,以及烃类聚集量及其分布。讨论了有限差分、有限元及有限体积三种数值解法。这个三维三相模型在满加尔坳陷成功应用 ,其模拟结果与实际情况相符合 ,预测出的一些有利勘探目标已被最近的勘探结果所证实。

一维盆地模拟系统BAS1

一维盆地模拟系统 BAS1,已在微机、VAX 和 IBM 机上研制成功,并成功地应用于临清坳陷东部和泌阳凹陷的资源评价。BAS1系统是在既吸收国际上某些先进模型、又独创一些模型的基础上建成的,包括四个模型:地史,热史,生烃史,排烃史。输入资料主要来自于地质、测井、地震和地化。输出结果是盆地的沉积史、构造史、古热流史、古地温史、R。史、TTI 史、生烃史和排烃史。同时,三维盆地模拟系统 BAS3已在 IBM 和 VAX机上初步研制成功,即将投入应用。本文仅介绍 BAS1系统及其在临清坳陷东部和泌阳凹陷的应用效果。

盆地模拟技术新进展(二)──油气运聚平面分层模拟方法

运聚史模拟是盆地模拟最重要也是最薄弱的环节。针对已有运聚史模型的不足，提出分层的平面二维运聚模型，即现今流体势分层模拟和油气运聚历史分层模拟的模型。分层流体势模拟需要井点的地表海拔、潜水面位置和分层的流体流动压力梯度这3项已知参数，提出水势、油势和气势计算公式，求得各井点的分层流体势，即可绘出分层的现今势平面等值图，为晚近地质时期油气再次运、聚的分析提供依据。分层油气运聚史模拟为拟三维二相模型，基于浮力驱动原理及达西定律，烃源层的排烃量分配可由地质家拟定，计算结果给出探区各烃源层和运载层在不同地质时代的烃柱高度及聚集量的平面等值图。

三维三相达西流法及其在库车坳陷的应用

多相达西流法是油气二次运移模拟技术中最复杂的方法,存在三大技术难点:①模型十分复杂,求解比油藏模拟的难度大得多;②收敛性、稳定性不易保证,导致计算结果精度低、计算中途异常停止;③计算机耗时量巨大,在微机上算完一个大型盆地要花几天时间。为此,采用了基于PEBI(直交平分)网的有限体积法、基于牛顿迭代的全隐式法及ORTH-MIN(正交极小化)法,摸索出了"正确地选取一个模拟工区的最大允许时间步长"是解决上述三大技术难点的最大关键点,从而攻克了这三大技术难点。研发了三维三相达西流软件,并应用于库车坳陷,获得了较好的油气运聚史模拟结果。

多地质因素的勘探目标优选——人工神经网络法与多元回归分析法比较研究

将人工神经网络法及多元回归分析法分别用于优选预测库车坳陷北带圈闭的勘探目标 ,结果发现人工神经网络法远比多元回归分析法优越。其根本原因是圈闭的优劣与其相关地质因素之间存在着一个复杂的非线性关系 ,人工神经网络法所描述的多因素关系恰是非线性的 ,而多元回归分析法只能描述线性关系。因此 ,当描述多个地质因素的复杂关系时 ,应提倡采用人工神经网络法。当然 ,多元回归分析法也具有人工神经网络所不具备的计算速度快、能较好地表达圈闭优劣与其相关地质因素之间亲疏关系的优点 。

库车坳陷的油气运移全定量模拟

为了给库车坳陷的油气勘探提供定量依据 ,使用盆地模拟软件BASIMS对该坳陷的地史、热史、成岩史、生烃史、排烃史及运聚史进行了全定量模拟 .其中油气初次运移的模拟使用简易而实用的方法 ,即 :对于油气初次运移 ,采用沉积压实渗流法求排油、物质平衡法求排气 ;对于油气二次运移 ,采用基于浮力驱动及达西定律的拟三维运聚模型 .除了讨论这些数值方法的敏感性参数 (参数敏感性与风险分析、排烃分配因子、断层及不整合面的渗透率、油气储集单元的确定 )外 ,给出了排烃史和运聚史的模拟结果 ,其聚集量的模拟结果不仅在数量上而且在位置上与实际情况符合 。

盆地模拟技术新进展(一)──国内外发展状况

盆地模拟技术已有近20年发展历史，已进入实际应用阶段，技术难点是排烃史和运聚史模拟。国外近10年以二维模型为主，正在研究全自动模拟过程中增添人工干预界面，使石油地质家能便捷地修改参数、修正模拟结果，并与常规分析紧密结合，力图提高模拟精度。国内盆地模拟技术吸收国外先进方法，多有创新，在碎屑岩系拉张型盆地应用的地质效果较好，已建立综合评价的操作平台，但薄弱环节和发展重点也是排烃史和运聚史模拟。在软件性能方面，国内与国外的软件相比，地质模型稍强，数值方法销差，软件水平相当，商品化程度不够。关于我国盆地模拟技术发展；提出：加强地质机理及数值方法研究，发展“人工干预界面”技术，重视实际应用，引入竞争机制，避免低水平重复。

盆地模拟的参数敏感性与风险分析

提出盆地模拟的参数敏感性与风险分析的一种方案:根据油气勘探实际选择关键性参数,对之进行敏感性分析;用蒙特卡罗法求出模拟结果的概率分布,实现盆地模拟的风险分析。在塔里木盆地的盆地模拟实例分析中,选择的敏感性参数为剥蚀厚度、古地热梯度和R_o-深度曲线。对模拟结果的分析表明:剥蚀厚度对埋藏史、地温史、R_o史和生、排油史影响较大,古地热梯度对地温史、R_o史和生、排油史影响较大,R_o对R_o史和生、排烃史影响很大。基于这3个参数的风险分析的模拟结果明显地优于以前的确定性计算结果。

改进拟三维油气运聚模型在库车坳陷的应用

在盆地模拟拟三维油气运聚模型数值方法的改进中 ,针对影响聚集量的排烃量分配问题 ,提出了估算排烃分配因子的新方法 ;增加了影响运移的断层控制与不整合面控制和影响实际聚集量的岩性控制 ,探索网格体位于断层、不整合面时的渗透率特殊处理方法 ,提出了一个网格体能否作为储集单元的岩性门限概念。将拟三维油气运聚模型应用于塔里木盆地库车坳陷的模拟 ,获得各相关地层在各地质年代的烃类聚集强度平面等值图、聚集系数和总聚集量 ,以及各相关地层在其所经历的各地质年代的分期、累积的烃类聚集量史直方图。在库车坳陷应用拟三维模型的模拟结果不仅与实际情况基本符合 ,而且根据模拟结果预测出的几个有利勘探目标已被最近的勘探结果所证实。图 4表 1参 2

烃源岩压实渗流排油模型

提出了烃源岩油水两相系统相对渗透率计算公式 ,与逐次沉积压实排液的原理相结合 ,建立了新的排油模型 (简称压实渗流模型 )。该模型与原有纯压实模型相比 ,主要优点是 :①取消了纯压实模型中基于排液前的油水之比与排液量中的油水之比相等的粗略假设 ,使排液量中的油水之比由油水两相的相对渗透率和粘度来确定 ,从本质上改善了地质模型的合理性 ;②克服了纯压实模型因前期排油过早、过大及后期偏小的缺点 ,大大提高了排油史的模拟精度 ,从而确保随后对油运、聚史的模拟真实性。两种模型在库车坳陷进行了对比应用 。

支持向量机在裂缝预测及含气性评价应用中的优越性

为了对比多元回归分析(MRA)、人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)三种算法的应用效果,分别将其应用于两个实例:对南襄盆地泌阳凹陷安棚油田安1井和安2井7种测井资料的34个样本进行裂缝预测;对鄂尔多斯盆地塔巴庙地区致密砂岩储集层孔隙度、渗透率和含气饱和度的40个样本进行含气性评价。两个实例分析表明:①非线性算法(SVM和ANN)远比线性算法(MRA)优越;②SVM表现绝对的优越性(计算误差均为零、计算速度快),是迄今最佳的机器学习方法;③在实例1中ANN与SVM相比几乎是同等优越,但在实例2中ANN的精度比SVM低得多;④MRA计算速度快、具有ANN和SVM所不具备的能表达研究目标与相关地质因素之间亲疏关系的优点。因此,当描述一个研究目标与多个相关地质因素的复杂关系时,应提倡采用SVM,而MRA可作为辅助应用。

油气运聚定量模拟技术现状、问题及设想

对于定量模拟技术的研发及应用,首先简要讨论初次运移(排烃),然后主要重点放在二次运移(烃类运移聚集)。关于初次运移,建议采用简单但争议少的方法计算排烃,其正确性由二次运移的模拟结果是否接近勘探实际来判别。关于二次运移,目前有4种运聚定量模拟技术:多相达西流法、流径法、混合法(多相达西流法+流径法)和侵入逾渗法。然而,这4个技术近10年来虽然各自有了较大的改进,但在克服各自的最大缺点问题上基本上没有突破:①多相达西流法虽有完整的时间模拟功能,但因受计算机资源所限而实用价值较差;②流径法和侵入逾渗法基本上没有时间模拟功能,即模拟对象通常仅是现今(0 Ma)的地质体,而能在关键时间(≠0 Ma)进行模拟尚在探索中;③由于混合法的实用价值主要来源于流径法,故严格来说混合法也基本上没有时间模拟功能。对于每一技术,概要介绍其技术背景、技术方法和应用效果;通过对比,指出各自的优缺点和适用条件,为未来研发提出改进方案。通过上述分析研究,提出了一个具有时间模拟功能的运聚定量模拟技术方案:在全时空的三维网格上,采用单相(水)达西流法技术计算超压,在数据稀少时采用流径法,在数据密集时采用侵入逾渗法。

支持向量机在多地质因素分析中的应用

将支持向量机、人工神经网络、多元回归分析及参数乘积判别法4种算法分别应用于鄂尔多斯盆地塔巴庙地区40个致密砂岩储层的含气性评价,其预测结果与试气结果的平均相对误差绝对值分别为:0,4.63%,29.71%,18.75%。该实例表明:前两种非线性算法远比后两种线性算法优越;非线性算法中,支持向量机比人工神经网络优越;线性算法中,参数乘积判别法比多元回归分析优越。其根本原因在于:含气性与其相关地质因素(孔隙度、渗透率、含气饱和度)之间存在着复杂的非线性关系。因此,当描述一个研究目标与多个相关地质因素的复杂关系时,应提倡采用非线性算法,特别是在耗时巨大、多次反复进行多地质因素分析的数据处理作业中,应提倡采用支持向量机。因为它与人工神经网络相比,具有计算速度快、计算结果精度高的特点。另外,参数乘积判别法也具有简明、快速的优点,其精度远高于多元回归分析;而多元回归分析不仅计算速度快,而且还具有能表达研究目标与其相关地质因素之间亲疏关系的优点,可作为辅助手段。

蒙皂石向伊利石转化的溶解沉淀模型

目前世界上关于蒙皂石向伊利石转化有两类理论分析数值模型,即一级热反应方程和溶解沉淀方程。一级热反应方程采用质量作用定律,已较广泛地引入盆地模拟。但热参数在250℃以上的高温实验条件下没有完全遵循混合反应,仅与地温和埋藏时间相关;溶解沉淀方程遵循混合反应,基于蒙皂石在自由孔隙水中溶解、随之发生伊利石的沉淀这一原理,不仅与地温和埋藏时间相关,而且与沉积压实引起的骨架和孔隙流体变化相关。在前人的工作基础上,对溶解沉淀方程做了改进,使之适用于盆地模拟。研制了相应的软件模块,并在几个盆地的计算中获得成功。理论与实践证明,溶解沉淀方程优于一级热反应方程。

考虑断层发育史并适用于欠压实的地史模型

在盆地模拟系统中 ,地史模型的功能是重建油气盆地的沉积史和构造史。其模拟方法分为正演和反演两种类型。正演是指从古到今恢复地史 ,如超压技术 ,适用于欠压实带 ;反演是指由今溯古恢复地史 ,如回剥技术 ,适用于正常压实带。回剥技术的优点是精度高 ,缺点是因未考虑超压而不适用于欠压实带。相反 ,超压技术的优点是适用于欠压实带 ,缺点是精度低。作者首先提出的回剥与超压相结合的技术 ,既考虑超压又确保精度 ,其主要思路是 :从已知的盆地现状出发 ,先采用回剥技术 ,由今溯古重建各地层的地史 ;然后对各地层进行超压计算 ,从古到今修正回剥技术所得的地史。为确保重建精度 ,地史模型应考虑尽可能多的地质现象 ,如沉积间断、沉积压实、欠压实 (超压 )、单层剥蚀、多层连续剥蚀、断层及古水深等 ,其中断层发育史的模拟最难实现。

蒙皂石转化伊利石的数值模拟——溶解沉淀模型与化学动力学模型

提出了改进的溶解沉淀数学模型,在塔里木盆地塔中4井应用获得成功。该井石炭系的实例表明:该模型在粘土矿物内的模拟结果,与K-Ar定年分析吻合,并接近于粘土矿物分析数据。实例指出:在较早提出的化学动力学模型、新近提出的溶解沉淀模型中,最敏感的参数都是活化能;将粘土矿物分析数据作为约束条件来校准活化能,是获得正确的蒙皂石史和伊利石史之关键。采用最佳活化能计算,可获得最佳模拟结果:①算出的伊利石开始生长的年代与K-Ar定年分析吻合;②模拟结果与粘土矿物分析数据接近。通过实例还发现:溶解沉淀模型仅适用于粘土矿物内的转化问题,而化学动力学模型仅适用于伊/蒙间层内的转化问题。

数据挖掘在石油勘探数据库中的应用前景

通过世界现状分析,指出数据挖掘(Data Mining,以下简称DM)在石油勘探数据库中的应用尚处于起步阶段。在前人的工作基础上,简述了数据库DM技术的结构、功能、算法及关键技术。以一个测井解释实例具体介绍DM的操作过程、技术方法及应用效果,验证该技术的可行性、实用性。实例中,采用多元回归分析,实现数据降维;分别采用人工神经网络和支持向量机两个挖掘算法,进行知识发现。基于国内大批石油勘探数据库(包括数据银行、数据仓库等)的陆续建成,认为DM技术的研发已提到议事日程,必将成为石油地质研究和勘探决策的有力手段。

一个精度较高的超压史数值模型

超压史是盆地模拟的重要计算结果之一,其精度主要取决于有效骨架应力的计算。但有效骨架应力的模拟计算尚存在精度较低的问题(尤其在中、深部地层),从而影响着随后的生烃史、排烃史及运移聚集史的计算精度。在前人和作者以往的工作基础上,使用达西定律和质量守恒法则,对有效骨架应力数学模型做了改进,使之适用于盆地模拟;研制了相应软件模块。通过几个盆地的实际模拟,尤其是克拉2井和依南2井超压的现今值模拟结果接近于压力实测数据,证明该模型具有较高的精度,既可避免通过岩石力学实验来测试有效骨架应力,又能使超压史的模拟达到实用水平。

计算烃类成熟度史的实地TTI-R_o法

目前盆地模拟中重建烃类成熟度史时 ,一般只制作单一TTI(时间温度指数 ) Ro(镜质组反射率 )公式 ,不仅使成熟度史的误差较大 ,还有明显的概念错误。提出实地TTI Ro法 :首先根据地史模拟得到的埋藏史以及热史模拟得到的地温史求得TTI史 ,再根据实测的Ro以及各地层埋深最大时的TTI值 ,制作各地质时期的TTI Ro公式 ,此后便可求得烃类成熟度史。对比TTI Ro“通用公式”与中国临清坳陷某井和塔里木盆地某井的实地TTI Ro公式 ,差异很大 ,原因在于求取TTI史的公式假设有局限性 ,而由于干酪根的组分和化学键的复杂性 ,以及不同地区地质条件和生烃母质的差异性 ,不同地区的TTI生烃门限和TTI Ro公式都不同。应用TTI Ro法研究烃类成熟度史时 ,必须注意TTI的局限性和Ro的不良定标等问题。图 3表