沉积盆地分析及计算机模拟

盆地动态热体制研究在方法上（古温标的动力学模型和盆地数学模型）得以迅速发展。其发 展历程大致可分为以下三个阶段： (1)定性分析阶段(1970~1980)这一阶段盆地热历史的研究主要是根据简单的(一维)盆地 模型，采用构造热演化方法。而古温标法（如镜质体反射率 R）的应用尚依赖于经验统计关 系。 (2)定性一半定量阶段(1980 一 1985)这一阶段古温标得到了较大发展，镜质体反射率、 粘土矿物、有机地化、裂变径迹、包裹体测温、 ”Ar/40Ar 等方法得到了进一步完善和发展， 并开始在油气盆地热历史研究中实际应用， 但主要用于最高古地温的确定。 构造热演化模拟 则从一维向二维盆地模拟发展， 盆地模型从瞬时拉张模型向有限拉张速率、 从均匀伸展向非 均匀伸展方向发展。热历史研究的古温标法与构造热演化法进行了比较。 (3)半定量一定量阶段（1986~1994）这一阶段以包括镜质体反射率(R。)、磷灰石裂变径 迹、粘土矿物等古温标的定量动力学模型的建立为标志。热历史正、反演技术的完善及相应 计算机程序的开发是这一阶段的重要特点。此外，这一阶段古温标得到进一步丰富，如激光 拉曼光谱碳质古地温计、激光诱导荧光分析法等。相对于前两个阶段，这一阶段古温标法占 据主导地位，构造热演化法面临模型参数的不确定性或模型的过度简化等问题，为此，盆地 模型进一步复杂化和多样化，二维、三维盆地模拟方兴未艾。同时，利用古温标法与构造热 演化法相结合研究盆地构造演化成为盆地热体制研究的一个新方向。 3 盆地热历史重建的方法、原理 (1)构造热演化法 构造热演化法的基本原理是通过对盆地形成和发展过程中岩石圈构造(伸展减薄，均衡 调整，挠曲形变等)及相应热效应的模拟(盆地定量模型)，获得岩石圈的热演化(温度和热流 的时空变化)。对于不同成因类型的盆地，根据相应的盆地数学模型，在已知或假定的初始 和边界条件下， 通过调整模型参数， 使得模拟计算结果拟合实际观测的盆地构造沉降史而确 定盆地底部热流史，进而结合盆地的埋藏史恢复盆地内地层的热历史。 (2) 古温标法 与构造热演化方法正演相反， 采用古温标法进行沉积盆地热历史恢复或重建属于反演问 题， 这种反演进一步又可分为直接反演和间接反演。 所谓直接反演就是直接以地层的热史路 径作为反演的迭代参量;而间接反演则是以盆地底部热流变化衰减量夕和地层剥蚀量 He(当 存在地层剥蚀时)作为反演迭代参数，然后根据盆地埋藏史间接地确定地层的热史路径。 (3)古温标法与构造热演化法的结合—盆地热模拟 作为沉积盆地内地层热历史和盆地热流史的正、反演方法的构造热演化法和古温标法， 分别基于盆地尺度和岩石圈尺度， 是两种独立的盆地动态热体制的研究方法。 对于勘探和研 究程序较高的沉积盆地， 二者的结合将提供一种将浅部和深部构造热过程研究相结合， 由沉 积盆地动态热体制研究盆地构造演化的新途径—沉积盆地热模拟。 4 生烃史的模拟 对生烃史的模拟基于对盆地埋藏史与 Ro 演化史的反演结果，即采用模拟地史较为精确 的回剥法并以 Guidish 模型处理不整合情况，恢复各凹陷的地层埋藏史，进而根据时间-温度 指数法[16]由古地温资料计算 TTI 史， 依据 TTI-Ro 关系得出 Ro 史， 最终结合热模拟实验获取 的 Ro-生烃率关系可求得各凹陷烃源岩生烃情况。 生烃史模型：计算生烃史采用体积单元有机碳生烃率模型， 该模型具有预测较为准确、 误差范围小的优点， 对热模拟实验结果用最小二乘法可拟合 出 R o- 生烃率关系， 据此由各凹陷不同层段的 R o 演化过程可计算出不同地质时期烃源岩 的生烃强度和生烃量. 其中生烃强度的计算公式如下: Q (t) =∫H (h) ·C (h) ·D (h) · F (R o (t) ) ·dh (1)
式中，c 为烃类压缩系统，Pa-1；ρ 为烃类在地下温压条件下的密度，kg/m3；q 为流体 的流动速度，m/s。即流体势由位能、单位质量的压能和动能组成。由于地下流动的速度比 较缓慢，可将动能忽略不计。 对油、水而言，由于其压缩性较小，计算油势和水势的公式可简化，积分号可以省略；对天 然气而言，由于气体是一个随深度变化非常明显的函数，所以其积分号不能省略。 6 沉积盆地流体运移聚集史模拟 (1)流体势分析基本原理 单位质量的流体所具有的机械能的总和定义为势。 地层流体的运移受地下环境的流体势 分布(势场)控制，流体总是从高势区向低势区流动。不同的流体(如油、气、水)在各自的势 场作用下，按各自的势场分布规律运动。England 于 1987 年提出的流体势概念，考虑了两相 界面引起的界面势能，即毛管势，如下式表示： Ф=ρ gZ+ρ ∫p0dx/ρ （p）+2δ/γ 式中：Ф流体势；Z 高程；P 流体压力；P 流体密度；δ，界面张力；γ，孔隙半径。对于地 层流体，其流体势的基本模型可用简化的 Hubbert 势模型表： Ф=gZ+∫p0dx/ρ （p）+2δ/γ (2)二维二相流体流动模拟 Ungerer 等提出了一个利用修改后的达西定律来计算二相流体在孔隙介质中渗流速率的模 型： Vw=-K*Krw（▽P-ρ wg）/μ w Vh=-K*Krh[（▽P-ρ wg）-ρ hg]/μ w 式中，Vw、Vh 分别为水和烃的渗流速度，m/s；k 为岩石的原始渗透率，m2;Krw、Krh 分别为水和烃类的相对渗透率；ρ w、ρ h 分别为水和烃类的密度，kg/m3；μ w、μ h 分别 为水的烃类的粘度，Pa·s；P 为孔隙压力，Pa；Pc 为毛细管压力，Pa；g 为重量加速度， m/s2。 由于输导层岩石具有较高的渗透率， 因此在油水两相流动中， 油运移的临界饱和度较低。 输导层顶面的残余油饱和度一般都大于地面。 将排烃量减去二次运移过程中的残烃量即为聚 集量。 （3）二维三相流体流动模拟 石光仁提出了有关二维三相流体流动历史模拟分差法， 该模拟从地下渗流力学出发， 运 用了连续方程、流动势、达西定律和状态方程等流体运动基本方程组，考虑了沉积压实、排 烃、流体势、浮力和毛细管力等主要驱动力，据此计算得到水、油、气在不同历史时期的剖 面压力史和饱和史， 进而计算出流体体势史， 再由势史可推出流体运移速度史和运移流线史。
沉积盆地模拟分析读书报告
沉积盆地模拟及计拟 地史模拟的一般研究方法地史模拟的关键是恢复地层的古厚度也即地层压实校正。 压实 校正是指把某一地层单元的现今实测厚度恢复到沉积时或埋藏中途某一时刻的厚度， 因此压 实校正实际上是“去压实”过程。虽然地层压实校正的数学模型有多种，但均基于如下三条 假设①在压实过程中， 地层骨架体积始终保持不变， 地层体积变小是由地层孔隙体积变小引 起。②在压实过程中，地层横向宽度保持不变，仅纵向厚度随地层体积的变小而变小。③地 层压实程度由埋深所决定，具不可逆性，即在埋深不超过最大古埋深时，地层压实程度保持 不变。 目前，应用沉积压实原理重建盆地地史的方法主要有四种沉积速率法、物质平衡法、骨 架纵坐标法和回剥法，其中以回剥法最优，是现今重建盆地沉积史与构造史最精确的方法。 回剥技术属“反演法”的范畴，即根据已知的盆地现状，把各个时代的沉积物逐一移出并进 行压实、 古水深和古今海平面变化等校正， 从而恢复或再现盆地的沉积史和构造史。 一般地， 回剥过程分为三步①根据各类沉积物的孔隙度一深度关系， 应用沉积压实原理恢复各个地层 单元的厚度②根据恢复的地层厚度并结合海平面变化和古水深等资料， 计算各地层单元在地 质历史时期的绝对深度和沉积速率③考虑沉积负荷作用， 选用合适的沉积模式， 计算盆地的 构造沉降量和沉降速率，分析盆地的构造沉降史。综合上述个阶段，最终可绘制出反映盆地 沉积与构造发展演化的地质横剖面图和平面时间序列图，以研究盆地的发展。 与演化过程及成因类型。综上所述，地史模拟可用于计算各地层在不同时代的厚度、沉 积速率、埋藏史、来自地壳的沉降回返、构造圈闭的形成时间与规模及由侵蚀产生不整合时 搬运物质的数量等，分析盆地的构造成因，并为盆地模拟系统中的后续部分提供重要参数。 地史模拟中需要的原始数据主要有各地层单元的时代与现埋深、 各类岩石的骨架密度、 岩性 百分比、岩石压实规律、基底密度、古水深与海平面变化资料、岩石圈弹性板厚度、弯曲刚 度及泊松系数、杨氏模量等。 2 地热模拟 沉积盆地形成和发展过程中， 盆地的热体制是动态变化的。 这种变化既受控于盆地内的 一些物理过程，如沉积与埋藏、抬升与剥蚀、沉积压实以及吸热和放热化学反应、地下水活 动、火山岩浆活动等，也取决于盆地底部热流的变化。而后者与下伏岩石圈的构造热演化， 包括岩石圈伸展减薄、地慢底劈侵位、岩浆活动、地壳均衡等密切相关。因此，盆地动态热 体制的研究可归结为盆地热历史的重建或恢复， 并且热历史的重建可以在盆地和岩石圈两种 不同的尺度上进行。 在盆地尺度下，可以利用盆地内的沉积地层中有机质、矿物、流体等记录的古地温，即 利用古温标或古地温计来反演地层的热历史和盆地底部热流;在岩石圈尺度上，可以根据盆 地数学模型，调整模型参数，通过对盆地实际构造沉降量的拟合，获得盆地底部热流史，进 而结合回剥的盆地埋藏史， 重建盆地内地层的热历史。 这就是盆地热体制研究的两条基本途 径，前者可称之为“古温标法” ，后者称为“构造热演化法” 。这两种方法的比较和结合，不 仅可以检验所选择的盆地模型， 提供盆地成因的信息， 而且可以揭示盆地构造演化过程中岩 石圈的伸展量、厚度变化等参数，从而成为盆地构造演化研究的一种新的途径和方法，它是 沉积盆地热体制研究的延伸或应用，也就是通常所谓的沉积盆地热模拟。 盆地热体制研究引起人们的重视始于 70 年代初期， 源于 iTsot 等完成的一系列关于干酪 根热降解的实验和人们对埋藏增温在油气生成中的重要性认识的不断深入。 由于地层热历史 在油气资源定量评价中的重要性和热演化在研究盆地深部构造演化方面的作用， 近 20 年来，
式中，Q(t)为不同地质时期烃源岩的生烃强度;h 为层段;H(h)，C(h)，D(h)分别为相应层段的 烃源岩厚度 (m ) ， 有机碳含量 (% ) 和烃源岩密度 (t/m3);F (R o (t) ) 为不同地质时期生烃 量 - R o 关系式.生烃量可由生烃强度及烃源岩有效面积相乘后得出： Q 1 =∫Q (t) ·S ·dt 式中，Q 1 为生烃量， S 为烃源岩有效面积， km。 估算待评价地区的油气资源量是贯穿整个油气勘探过程的一项综合性预测工作， 为指定 合理的勘探部署方案提供依据. 常用的评价方法有地质类比法、体积法、沉积平均体积速度 法、圈闭体积法、物质平衡法、蒙特卡洛模拟法和油田规模序列法。 采用烃源岩体积法估算资源量， 即由式 (2) 得到的生烃量乘以半经验的排聚系数得出 资源量 Q 2 = K ·Q 1 (3) 式中，Q 2 为资源量， K 为排聚系数. 5 排烃史模拟 排烃模拟是目前盆地模拟研究中的难点和最薄弱的环节， 这主要是因为烃类自源岩中排 出机理的复杂性和实验观察的困难性。 现在大多数工作者相信烃以独立相的形式排出， 烃从 烃源岩中排出很大程度上取决于孔隙空间中的饱和度， 并且越来越多的人承认微缝在油气排 烃中所起的重要通道作用。 （1） 残留烃法 基于物质平衡原理，认为排烃量等于生烃量与残留在烃源岩中的烃量之差，即： Q 排=Q 生-Q 残 生烃量可由生烃史模拟中求得，残烃量一般可由岩石热解实验资料近似获得。 （2） 压实法 该方法基于沉积物压实排烃原理， 假设烃源岩孔隙度的减少完全是孔隙流体排出的结 果。根据油相连续运移模式，计算某烃源岩单元排烃强度 Eeo（10t/km2）的数学表达 式为： Eeo=H[（Ф-Ф1）/（1-Ф）]·S0ρ 0 式中，H 为计算单位的烃源岩平均厚度，km；Ф为烃源岩在生烃开始后某时刻的孔隙度。小 数；Ф1分别为烃源岩在压实后的孔隙度和体积；ρ 0 为石油的地下密度，104t/km3; S0 为含 油饱和度，一般以目前烃源岩中的残余油饱和度来代表排油时的饱和度。 该方法要求参数少，简便易行，适用于盆地勘探初期，但只能模拟油的排出，且仅适 用于正常压实地区。 （3） 压实法 压实法也是基于沉积物压实排烃原理， 也只能计算排油量， 但不同的是它还引入烃源 岩与储集层之间的压实排烃机理，适用于异常压实区。排烃强度 Eex（104t/km2）计算 数学表达式为： Eeo =E0· [ρ mρ （ s ФcmФs − ФcsФm） +ρ sФcs ρmФm + ρsФs S0]/ (ρmФm + ρsФs ) (ρmФm + ρsФcsS0) 式中，Ea 为烃源岩的生烃强度，可由生烃史模拟获得；ρ m、ρ s 分别为地层的泥岩与砂岩 含量，小数；Фcm、Фcs分别为生油门限时泥岩与砂岩的孔隙度，小数；S0 为生油层进入生 油门限后任一时刻的含油饱和度，小数。 （4） 该方法假设有烃源岩内各种增压机制联合作用产生的异常高压为烃源岩排烃提供动 力，岩石产生裂缝，成为烃类排出的唯一通道，且干酪根降解成烃过程遵循质量平衡和体积 守恒准则。排烃强度 Eehc（kg/m3）模拟计算数学表达式为： Eehc=c*p*△p*v