Question

　油气成藏动力学研究系统

Answer 1

广义的油气成藏动力学研究，泛指一切有关油气生、排、运、聚的机理性研究。文中所说的“油气成藏动力学研究系统”，是指在某一特定地质单元内，在相应的烃源体和流体输导体系发育的格架下，通过对温度、压力（势）、应力、含烃流体等各种物理、化学场的综合定量研究，在古构造发育背景上，历史再现油气生、排、运、聚乃至成藏全过程的多学科综合研究体系，这实际上是含油气系统意义上的一种定量动力学研究体系。

油气成藏动力学研究系统由模型研究与模拟研究两部分组成，在理论上集成了石油地质学的动力学研究成果，整个研究过程是在烃源体和流体输导体系的三维格架上进行的。这个研究系统有强大的计算机工作平台支持，模型研究与模拟研究结果的迭代反馈降低了地质解释中的多解性，是新一代石油地质勘探研究工作系统。该系统在珠江口盆地应用，显示了研究系统的具体应用效果。

“油气成藏动力学研究”是“九五”期间，国家自然科学基金委员会和中国海油联合资助的重点项目《南海北部大陆边缘盆地的活动热流体和油气成藏动力学及其地质背景》的一项主要研究内容。目前，这一项目已在基础理论上获得了许多创新成果，并已基本形成了油气成藏动力学研究的概念体系和可用于油气勘探实际的、具有一定技术优势的工作方法。

海上油气勘探成本较高，这就迫使我们不得不对许多尚具探索性的研究领域给予关注，如油气运移和聚集问题等。

油气运移与聚集研究是石油地质学研究的重要课题，它涉及石油地质学整体研究体系。因此，要形成可操作的油气运聚研究方法，就必须从整个研究体系出发，以动力学为核心。以下分油气成藏动力学研究的技术背景、油气成藏动力学研究系统的基本框架、油气成藏动力学模拟系统和应用实例等4部分对油气成藏动力学研究系统作一概要介绍。

一、油气成藏动力学研究的技术背景

20世纪60～70年代，石油生成的化学动力学研究卓有成效，并取得了具有重要意义的研究成果。

20世纪80～90年代，地下流体动力场（尤其是压力场）研究成为石油地质学研究的热点。层序地层学和地震岩性预测技术的发展，给构筑盆地烃源体和流体输导体系格架提供了可能。计算机软、硬件的快速发展，将实现大数据量的盆地模拟运算提高到油气运移与聚集的模拟阶段。含油气系统理论的兴起，将石油地质学研究提高到系统论的高度，并已经出现把含油气系统视为动态石油生成和聚集的物理、化学系统的概念，以及试图用化学动力学控制的生烃子系统和受物理动力学控制的运移/捕集子系统，来构筑含油气系统的动力学思路。G.Demaison所阐述的含油气系统概念，基本上是以动力学为基础、体现石油地质学发展趋势（即集成动力学研究成果）而形成的完整概念体系，它是把油气自生成至成藏过程，作为一个完整的动力学过程进行研究。

近年来，“含油气系统”一词已成为油气勘探研究中的热门术语，甚至可以说已经形成了一股“含油气系统”热。其实，含油气系统是石油地质学与系统科学相结合的产物，由于不同学者看问题的角度和视野不同，因而对含油气系统的描述各有侧重（表5-9）。例如L.B.Magoon和W.G.Dow着眼于大区域范围内预测油气资源存在的可能性，他们所拟定的含油气系统的规模，相当于含油气区或超大型含油气盆地，相应的描述方法是较为粗略的结构图解法；A.Perrodon则以提供盆地内远景区圈定依据为目的，提出的含油气系统规模大致与盆地相当，选择的描述方法也是粗线条的模型类比法；G.Demaison和B.J.Huizinga拟定的含油气系统级别最低，仅与凹陷相当，所选择的研究方法是最精细的成因分析法。如果以区带或勘探目标为目的，那么G.Demaison和B.J.Huizinga关于含油气系统的研究方法是最值得借鉴的。

表5-9　不同学者对含油气系统表述的比较

在油气勘探的区带（Play）和目标（Prospect）研究中，通常应用的方法是传统的石油地质学方法，其研究重点是石油地质条件，研究内容是各项地质条件的综合评价，目的是得到用圈闭法计算的圈闭资源量和相应的地质风险（尽管其中也应用了许多动力学方法，如生烃动力学、古温度场、压力场、应力场研究等）。含油气系统理论的兴起及其在油气勘探中的广泛应用，使得生产研究对理论指导的渴求愈来愈迫切。

在含油气系统理论应用中，一般应用L.B.Magoon和W.G.Dow的描述方法描述次级含油气系统者居多，其原因主要是这种描述方法可操作性强，便于接受。虽然G.Demaison和B.J.Huizinga的研究方法更适于勘探区带评价，但由于未形成可操作的研究系统，因而应用实例见得不多。

广义的油气成藏动力学研究，泛指一切有关油气生、排、运、聚的机理性研究。本文所说的“油气成藏动力学研究系统”，是指在某一特定的地质单元内，在相应的烃源体和流体输导体系发育的格架下，通过对温度、压力（势）、应力、含烃流体等各种物理、化学场的综合定量研究，在古构造发育的背景上历史再现油气生、排、运、聚乃至成藏全过程的多学科综合研究，目的是由油气成藏的动力学机理出发，进行区带和勘探目标的评价，并形成一套可操作的工作方法。由于要追索油气生、排、运、聚的全过程，所以油气成藏动力学研究必须要建立在含烃流体的载体即烃源体与流体输导体系的格架基础之上，控制油气生、排、运、聚的物理、化学动力场也必然成为油气成藏动力学研究的重要内容。

要历史地定量描述油气生、排、运、聚的全过程，计算机模拟技术是不可缺少的工作手段。通过对油气勘探区带和目标评价研究中，传统石油地质学方法、含油气系统方法以及油气成藏动力学方法的比较，不难看出，三者从出发点到具体工作内容乃至最终成果的表现都有本质的不同（表5-10）。

表5-10　油气勘探研究中3种不同工作方法的比较

油气成藏动力学的形成是石油地质学发展的必然，当前已经具备了构成完整研究体系的基本条件。今后，随着油气成藏机理研究的不断深化，油气成藏动力学必将日臻完善，并在油气勘探中发挥重要作用。

二、油气成藏动力学研究系统的基本框架

油气成藏动力学研究系统包括模型研究和模拟研究两部分。模型研究的任务：①根据所获得的地质资料，建立盆地构造－沉积格架，为建立三维数字盆地提供模型；②在数字化盆地基础上，追溯油气生、排、运、聚过程，为模拟研究提供油气成藏机理和油气运移路径等控制模型。模拟研究是用油气成藏动力学模拟系统模拟油气生、排、运、聚过程，在逼近勘探实际过程中，修正输入模型，最终得到定量化的结果（图5-10）。

图5-10　油气成藏动力学研究总体框图

（一）油气成藏动力学模型研究

模型研究是油气成藏动力学研究的基础，包括盆地模型和油气运聚的控制模型两个部分。

1．盆地模型

主要指盆地的沉积－构造格架以及相应的物理和有机地球化学参数，用以建立三维数字盆地。盆地模型是进行人工控制性油气生、排、运、聚模型研究的基础，也是油气成藏动力学模拟研究的基础，由以下7个部分组成。

a．沉积体模型：主要指各层沉积相图，用以建立烃源体、输导体和盖层体系模型；

b．构造体模型：包括各层构造图和主要圈闭与断裂体系的发育研究，用来建立三维构造数据体，实现回剥，以得到各期各层古构造图；

c．烃源体模型：对沉积体模型中有生烃能力的沉积体赋予有机地球化学属性，如有机碳含量、干酪根类型、热模拟产烃率（或活化能、频率因子），以进行生排烃量模拟；

d．输导体模型：对具有渗透能力的沉积体赋予储层物理属性；对断裂、裂隙性输导体进行历史发育研究，重点确定其历史发育过程中对流体的输导能力；

e．温度场模型：给出现今温度梯度曲线、Ro－深度关系曲线，以模拟古、今地温场，逼近现今烃源岩热演化结果；

f．压力场模型：模拟古、今压力场，进行各层古、今流体势研究；

g．应力场模型：为应力场模拟提供参数，分析应力场发育与油气运移间的关系。

2．油气生、排、运、聚的控制模型

是指用人工方法建立的具体盆地、凹陷（或含油气体系）的油气生成、运移、聚集机理性模型。尽管我们对油气生、排、运、聚的微观世界还有大量未知领域，但是在宏观上通过集成现有理论和应用模型，足以建立起基本概念框架，以描述具体盆地油气成藏动力学过程。它包括以下3个主要模型。

a．油气生成的动力学模型：这是油气生、排、运、聚动力学模型中最成熟的部分。自20世纪70年代康南用化学动力学公式描述有机质生烃过程以来，该模型已被广大石油地质研究人员所采用，并得到深化。魏格斯（1985）用热解法计算生烃量方法，也是目前我国普遍应用的量化生烃史的主要方法。各烃源层各地质历史阶段Ro等值线图、热演化史剖面图、生烃量等值线图和生烃量史表等“3图1表”在描述生烃过程中是必要的。

b．烃类初次运移的动力学模型：孔隙体积法和残烃量法是目前生产研究中普遍采用的排烃量计算方法。孔隙体积法的假设前提是：连续油相是初次运移的主要相态，当生油层的孔隙（或裂隙）体积中的含油饱和度超过临界运移饱和度时，石油在压实作用下则以连续油相与水一起排出。残烃量法是用计算的生烃量减去实测残烃量（氯仿沥青“A”，或总烃HC，或热解法求得的S1）而求得排烃量。初次运移的方向主要受剩余压力控制，由于烃源体的剩余压力总是高于与之相接触的流体输导体，因此与烃源体相接触的流体输导体是含烃流体初次运移的主要指向。这一运移机理在理论上可以用渗流定律描述，但实际地质条件却往往超出渗流定律的前提条件。因此，在这里应用计算机人工智能模拟方法是必要的。人工初次运移模型的描述是在烃源体和与之相接触的流体输导体分布图上进行的，其主要工作内容是根据输导体与烃源体接触的比表面积、渗透能力和输导体相互间的配置关系，给出不同的排烃量分配方案。

c．烃类二次运移的动力学模型：烃类二次运移的主要动力是油/水的密度差所产生的浮力和地层孔隙流体压力（包括压实水流和大气水流）。在静水压力条件下，流体输导体中的油气在浮力作用下，总是由下向上指向低势方向，并且在总体上受区域构造背景控制。后期地表水所产生的水势梯度变化也应给予必要关注。与描述初次运移一样，油气二次运移的描述也必须在流体输导体系格架上进行。流体输导体系的复杂构成（孔隙体、裂隙体、不整合面等）及其在时空上的四维演化，也迫使我们不得不借助于计算机人工智能模拟来完成。通常，我们是利用油/岩的有机地球化学资料，分析原油与烃源岩间的亲缘关系，回答油气在什么时间充注、由哪里来、到哪里去等问题，从而建立起油气成藏机理模型，给绘制成藏机理剖面和含油气体系平面图提供依据，并在上述基础上选择关键时刻，在主要输导体顶面古构造图上，描绘油气运移的主要路径。

之所以把人工分析的油气成藏机理模型称作“油气生、排、运、聚控制模型，一方面是由于对油气成藏机理的认识还非常有限，但通过对每个具体盆地油气成藏机理研究，却都有可能发现新的成藏机理模型，从而丰富和完善油气成藏动力学知识宝库，对油气成藏动力学的发展可以起到控制作用；另一方面，对于油气成藏动力学研究系统来说，成藏机理模型研究是基础，它对整个研究结果可以起到控制作用。换句话说，模拟结果必须与控制模型相符合（如果控制模型的建立有可靠依据的话）。这里也有两层含义：一是油气成藏动力学模拟系统必须符合控制模型的需要；二是模拟结果必须逼近控制模型。

（二）油气成藏动力学模拟研究

一般来说，用人工方法很难完成油气成藏动力学研究浩繁的工作量，比如不可能用手工方法完成各期、各层古构造的回剥，也不可能用手工方法完成各期、各层生烃强度等值线图的制作等等。然而，现今的计算机模拟方法，可以帮助我们建立起三维数字化盆地，并且在此基础上完成浩繁的计算合成图。同时，现代三维可视化技术还能为我们观察和修正盆地模型工作提供极为便利的手段。因此可以说，模拟技术是油气成藏动力学研究结果定量化和可视化不可缺少的手段。

从石油地质学研究本身来说，几乎所得到的每项参数，或者建立的每个模型都具有多解性。但是，油气成藏动力学模拟系统可以把给出的各项参数和模型，放在一个统一的动力学系统中运行，从而检验各项参数和模型的可匹配性，进而使不合理的部分得以修正。

油气成藏动力学模拟系统是油气成藏动力学研究结果定量化和可视化的手段，也是一种模拟实验工具。由于参数或模型多解性的存在，多方案的模拟比较是必需的。只有通过多方案模拟，不断修正输入的参数和模型，使之逼近实际勘探结果，才可将模拟结果作为外推预测的依据。

三、油气成藏动力学模拟系统

油气成藏动力学模拟系统的基础是油气成藏动力学理论，它主要以含油气系统为指导，在烃源体与输导体的格架上，完成三维构造地层发育史模拟，以及温度场、压力场、流体场、应力场发育史定量模拟，用人工智能和现代数学技术，再现地质单元体内油气生、排、运、聚的历史演化过程，进而对油气成藏过程进行模拟。其目的是为地质家提供一种油气成藏过程定量化和可视化的计算机工作平台。

中国海油与中国地质大学（武汉）联合开发的油气成藏动力学模拟系统，有工作站版（英文版）和微机版（中文版）两种版本，其软件系统平台为IDL系统。该系统由1个工作平台（图5-11）、5个模拟子系统、13个模拟模块及许多子模块构成（图5-12），其中三维沉积体静态模拟子系统担负数据预处理任务，主要是将输入的二维构造和沉积体信息（包括物理、化学参数）转化为三维数据体，而三维构造体动态模拟子系统，则可将每一时刻生成的三维空间动态物理、化学参数，提供给油气生排模拟子系统和人工智能模拟子系统，以实现油气生、排、运、聚的三维动态模拟。目前这个系统已通过验收，并投入应用。

图5-11　油气成藏动力学模拟系统软件结构框图

图5-12　油气成藏动力学系统平台结构框图

四、油气成藏动力学研究实例

（一）珠一坳陷油气多源、多期汇聚主通道运聚模型

在烃源体和油气输导体系模型的基础上，通过压力场、地下水动力场的分析，并详细进行了原油和烃源岩有机地球化学研究，明确了两种不同类型烃源岩及其所生成原油的物理性质与生物标记化合物特征，经两类端元油配比实验得到混合油判别参数，C₃₀-4－甲基甾烷/C₂₉甾烷、三环萜烷/藿烷和C₃₀αα/（αα＋ββ）比值与运移距离成良好的线性关系，为运移距离的判断提供了可靠依据。从而科学地描述了珠一坳陷油气多源、多期汇聚的主通道运聚模型。

图5-13　惠州凹陷－东沙隆起油气运移路径图

1—油藏；2—油气运移方向；3—地下水运动方向

珠江口盆地珠一坳陷的惠州凹陷、陆丰凹陷和相邻的东沙隆起，在裂陷早期（早—中始新世）凹陷中沉积了一套湖相烃源岩。裂陷晚期（晚始新世—早渐新世）的河流相砂岩和破裂不整合面之上的渐新世中期滨海相砂岩，共同构成了油气的输导层。早中新世晚期及其以后被广泛的陆架泥岩覆盖，形成区域性盖层。区域盖层之下的三角洲砂岩和碳酸盐岩是主要储层。这一简单的生油层/输导层/储层/盖层关系为油气运移研究提供了便利条件（图5-13）。

惠州凹陷和东沙隆起各井存在3种类型原油：I类原油以惠州33-1-1井、西江30-2-1井为代表，高含C₃₀-4－甲基甾烷，与文昌组烃源岩近似；Ⅲ类原油以惠州9-2-1井为代表，富含双杜松烷，是典型的恩平组高等植物烃源产物；绝大部分井都同时含有C₃₀-4－甲基甾烷和双杜松烷，是文昌组与恩平组原油的混合产物，我们称之为Ⅱ类原油。

研究区WT/C₃₀H、C₃₀/C₂₉甾烷和C₁₉/C₂₃三环萜烷比值的平面分布说明：东沙隆起上主要分布I类原油，在惠州坳陷内部及其边缘主要分布Ⅱ类原油，证明文昌组生烃量大，油气运移范围较广，后期恩平组生成的原油运移范围仅限于凹陷内部及其边缘（图5-14）。

图5-14　惠州凹陷－东沙隆起接壤部位两期油气运移主通道

1—T5层构造等值线（m）；2—油田；3—钻井位置及编号；4—早期文昌组I类原油运移路径；5—与早期文昌组原油运移路径叠加的晚期恩平组原油运移路径

（二）珠三坳陷多含油气系统油气成藏动力学研究

珠三坳陷是珠江口裂谷盆地的一部分，早第三纪为裂陷期，晚第三纪为热沉降期，破裂不整合发育于早第三纪末（23.3Ma）。古新世至渐新世早期（神狐组、文昌组、恩平组沉积时）为裂谷湖泊充填期，是主要烃源岩发育期。渐新世晚期（珠海组沉积时）海水入侵，沉积了海湾相砂泥岩，形成上下两套储盖组合，是坳陷内的主要储集层段。中新世珠江组下部为退积的海湾相沉积，是本区凸起部位主要储层。珠江组沉积晚期又一次海侵，成为开阔浅海，以泥质沉积为主，是本区区域性盖层。中中新世（韩江组沉积时）及其以后（粤海组、万山组）一直为开阔海沉积。

珠三坳陷的文昌A、B凹陷是主要生烃凹陷（占总生烃量的97.5%），两个凹陷生烃史有显著差别。文昌A凹陷文昌组生油高峰在恩平期（占总生烃量的40%），晚第三纪进入裂解气形成阶段。恩平组生烃高峰在珠江期，生气高峰在韩江－粤海期（图5-15）。文昌B凹陷恩平组基本未进入生烃门限，生烃量很小。文昌－神狐组是主要生油层，由于凹陷较陡，没有明显生烃高峰。自恩平期开始生烃，各期生烃量都在3%～5%之间，至第四纪已小于1%。

图5-15　珠二坳陷圈闭形成与生烃高峰期配置关系图

源岩与油气有机地球化学研究结果表明，文昌A凹陷油气主要来自恩平组含煤地层，文昌B凹陷油气主要来自文昌组湖相泥岩，琼海低凸起为文昌A、B两个含油气系统的叠合部位，同时接受了两个凹陷的油源（图5-16）。

通过系统油气成藏动力学研究，明确了神狐隆起是油气聚集有利方向。认为珠江组石油未风险聚集量为6.3×10⁸t，天然气未风险聚集量为57×10¹²m³。珠海组未风险油聚集量为0.85×10⁸t，未风险天然气聚集量为505×10¹²m³。文昌凹陷南侧的神狐隆起是油气运聚主要方向，韩江期以后珠江组总运移量大于10×10⁸m³（油当量），珠海组总运移量大于12×10⁸m³ （油当量）；珠江组未风险石油聚集量5.4×10⁸t，珠海组未风险天然气聚集量354×10¹²m³。

最终模拟结果石油主要聚集量在神狐隆起上的珠江组中，天然气主要聚集量在文昌A凹陷南侧的珠海组中（图5-17、图5-18）。这一模拟结果与模型研究结果相符，为珠三坳陷提供了具有巨大勘探潜力的新领域。