第八章 含油气系统及盆地模拟

第八章含油气系统及盆地模拟,第一节含油气系统,1972：Dow，AAPG年会，论文摘要；1974：Dow，AAPG杂志，论文全文，Oi1System；1980：Perrodon，石油地质动力学，Petro1eumSystem；1984：Demaison，GenerativeBasin；1984：Meissner等，HydrocarbonMachine；1986：Ulmishek，IndependentPetroliferousSystem；1987、1988、1989：Magoon，Petroleumsystem；1990、1992、1994：Magoon&Dow，Petroleumsystem。,1含油气系统概念的提出与发展,一、含油气系统的概念,我国：成油系统、石油系统、油气系统、油气成藏系统、成油体系、石油体系等，复合含油气系统、复式含油气系统,2含油气系统的定义,一个自然的系统，其中包含活跃的烃源岩、所有与其相关的石油和天然气以及形成油气聚集所必需的地质要素和作用”。活跃烃源岩：包括目前可能已不再有效或已耗尽(油气已排出)的；油气：包括聚集在一起的：在常规油气田、气水合物、致密气田、裂缝性页岩和煤中发现的热成因与生物成因气；在自然界发现的凝析油、原油和沥青；系统：相互依存的并制约油气成藏的各种地质要素、作用及其组合关系。,二、含油气系统的组成,基本组成：地质要素和成藏作用:地质要素：烃源岩、储集层、盖层和上覆岩层成藏作用：圈闭的形成和油气的生成运移聚集这些要素及作用必须要有适当的时空配置，才能使其有机的关联；这些成藏作用有序的发生，最终形成油气聚集；这些基本要素和成藏作用存在与发生的地方就是含油气系统所在的位置。,三、含油气系统的命名及分类,1.含油气系统命名（1）可靠性水平：水平用于描述某一特定烃源岩生成的油气提供给油气聚集的可能性。基于资料和研究程度，含油气系统可划分为三个可靠性级别：已知的（Known）：成熟烃源岩与油气聚集之间存在良好的地球化学可比性，以（！）表示；可能的（Hypothetical）：应用地球化学资料识别出了烃源岩，但烃源岩与油气聚集之间尚未确定有地球化学可比性，以（）表示；推测的（Speculative）：烃源岩和油气的存在完全是根据地质或地球物理资料推测的，以（？）表示。,含油气系统可靠性水平的定义,（2）含油气系统的名称：含油气系统的名称包含了烃源岩、主要储集岩名称以及用符号表示的该系统的可靠性水平。例如，DeerBoar()代表一个可能的含油气系统，它由泥盆系Deer页岩和Boar砂岩组成，其中Deer页岩为烃源岩，Boar砂岩为主要储集岩。,（1）Perrodon（1984，1992）：基于沉积盆地的地球动力学环境，按含油气盆地的性质将全球的含油气系统分为三大类：（a）存在于大陆裂谷盆地中的大陆裂谷型含油气系统；（b）存在于克拉通盆地内部或大陆离散边缘盆地中的地台型含油气系统；（c）存在于挤压和活动边缘盆地中的，尤其是弧前盆地和前陆盆地前渊中的造山带型含油气系统。,2.含油气系统分类,（b）地台型含油气系统，具侧向运移和单个储集层；,含油气系统的沉积盆地动力学分类,（c）造山带型含油气系统，具侧向和垂向运移,（a）大陆裂谷型含油气系统，且垂向运移和不同层次储集岩；,（2）Magoon（1989）根据上覆岩层的复杂程度(单一的或混合的)、储集层岩性(硅质碎屑岩或碳酸盐岩)和干酪根类型(I型、II型或IIII型)对美国的含油气系统进行了分类。1992年，Magoon又根据烃源岩的地质年代对同样的含油气系统再次进行了分类。（3）Magoon和Dow（1994）根据导致烃源岩成烃的主控因素热源的不同将含油气系统划分为“典型的”与“非典型的”两大类，其中典型的含油气系统是指由于上覆岩层增加，致使烃源岩埋深增大并发生热成熟生烃作用而产生的油气系统，非典型的含油气系统则指油气是经过其它途径生成的，如火成岩侵入、大洋中脊与裂谷深部热流或生物作用等。,（a）各基本地质要素均具备，但油气尚未生成，故不存在含油气系统；（b）有一套正在生烃的烃源岩，存在一个含油气系统；（c）两套烃源岩均已热成熟，存在两个含油气系统,典型的含油气系统在关键时刻的三种平面图与剖面图,非典型的含油气系统烃源岩在火成岩岩墙的作用下热成熟生烃,（4）Demaison和Huizinga（1991，1994）根据油气充注程度（过充注、正常充注、欠充注）、运移排烃方式（垂向排烃、侧向排烃）与捕集方式（高阻抗、低阻抗）对含油气系统进行分类，一共可分出12种类型。,含油气系统成因分类流程图,（5）窦立荣等（1996）根据油气相态在纵向上的分布规律，将含油气系统分为含生物气系统、含油系统、含凝析油气系统和含干气系统。（6）赵文智等（1996）根据油气充注程度（超充注、正常充注、欠充注）、储盖组合（重叠式、侧变式、包裹式）、运移样式（垂向、侧向）、圈闭类型（高阻抗、低阻抗）与保存条件（无改造型、微弱改造型、强烈改造型）进行组合分类，共划分出108种基本类型。（7）宋建国和张光亚（1996）依据沉积盆地类型、演化及烃源岩形成的古地理、古气候条件等，将中国油气系统划分为古生界克拉通型、中新生界前陆陆内挠曲坳陷型和中新生界裂谷伸展坳陷型，共三大类五小类。,1.含油气系统的确定证实一个含油气系统的存在的依据是有油气的存在，哪怕只有一股气或一滴油（体积小而丰度高）。一般而言，对任何地区，只要有富含有机质的岩层存在，且其被沉积埋藏到足以生成油气的深度，就应当存在含油气系统。2.含油气系统的描述作为一个地质实体，含油气系统具有特定的地理、地层和时间范围，且可以用“四图一表”来加以较好的描述与说明。（1）油气聚集统计表：以表格形式列出与某一特定含油气系统有关的所有油气聚集及其相关资料，它为质量平衡方程提供了数据，且是含油气系统评价的基础。,四、含油气系统的研究,（1）油气聚集统计表：以表格形式列出与某一特定含油气系统有关的所有油气聚集及其相关资料，它为质量平衡方程提供了数据，且是含油气系统评价的基础。,表8-2在虚拟的Deer-Boar（.）含油气系统内的油气田,（2）埋藏史图：用以说明在特定地区的关键时刻、具体时间及基本地质要素，一般应包含地质时代与绝对年龄、岩性柱、岩层名称、深度、烃源岩、储集层、盖层、上覆岩系等项目，并在埋藏史曲线上标注生油窗项、生气窗项及油气系统形成的关健时刻。,DeerBoar（.）含油气系统的埋藏史图,（3）剖面图：用以显示油气系统形成关键时刻时各基本要素的几何分布，限定了含油气系统的地层展布范围，一般应包括基底、上覆沉积盖层、边界断裂、构造起伏、烃源岩、储集层、盖层、上覆岩系、生油窗项、生气窗项、油气藏、埋藏史井位、油气系统的地理分布范围及地层展布范围。,DeerBoar（.）含油气系统在关键时刻（250Ma）的地质剖面图,（4）平面图：在平面上勾绘含油气系统在关键时刻的地理分布范围，一般根据成熟烃源岩及产自该烃源岩的油气显示、油气苗和油气聚集的展布范围来加以圈定。,DeerBoar（.）含油气系统在关键时刻的平面分布图,（5）含油气系统事件图：用以说明各基本要素和各成藏作用间的时间关系、含油气系统的保存时间及关键时刻等。,DeerBoar（.）含油气系统事件图,3.含油气系统的评价（1）油气充注能力某一特定的含油气系统在一个区域的油气丰度主要取决于充注量(charge)的大小。Sluijk和Nederlof（1984）将油气充注量定义为圈闭空间可以捕集到的烃类体积，油气充注的体积则等于来自成熟生烃洼陷的油气体积减去排烃过程及二次运移过程油气损失的体积。因此，油气的区域充注程度主要取决于烃源岩的丰度及成熟生烃洼陷的体积。Demaison和Huizinga（1994）认为可采用一种简化的统计指标源岩潜力指数（SPI）来确定。Tissot等（1980）将SPI定义为地下1m2面积的烃源岩柱内能生成油气的最大量（t），其计算公式为：SPIh(S1+S2)/1000式中，h为源岩的净厚度（m）；S1S2为源岩的平均生烃潜力（kg烃/t岩石），由Rock-Eval热解实验获得；为源岩密度，一般为2.5t/m3。,在垂直排烃的含油气系统中，SPI可分为：低级（SPI5t/m2）中级（5t/m2SPI15t/m2）和高级（t/m215SPI）。在以侧向排烃为主的含油气系统中，SPI的分级为：低级（SPI1），厚度则减小为/，由于均衡补偿作用，软流圈抬升，其顶界深度减小至/；随着软流圈向下缩回，热扰动逐渐衰减，导致下沉，形成拉张型的裂谷盆地。热流方程为：地温T的计算表达式为：热流的计算公式为：该方法只考虑了热的传导方式，仅适用于拉张型盆地。,三、地热史和成熟史模拟,Falvey法Falvey法考虑了热的传导和对流两种方式，但仅在孔隙流体流动时考虑了对流，其既适用于拉张型盆地，也适用于挤压型盆地。热流方程的数学表达式为：式中，T为古地温，；t为时间，s，地表开始沉积时间为零；z为垂直向上的坐标m，以盆地基底为原点；Kt为地下孔隙介质的热导率，cal/（cms）；、f分别为地下孔隙介质密度和孔隙流体密度，g/cm3；c、cf分别为孔隙流体比热和地下孔隙介质比热，cal/（g）；Q为沿z方向的热流值，HFU；vz为孔隙流速沿垂直方向的分量，cm/s。利用差分法可求解出古地温史T。,地球化学地球热力学结合法从盆地现今的热流或地温资料出发，反推古热流史和古地温史，并用实测的镜质体反射率资料来检验。计算古地温T(t,z)的数学表达式为：式中，T0为地表温度；Q(t)为随地史时间（t）变化的古热流，假设古热流与现今热流Q0呈线性关系，即Q(t)=Q0(1+t)，其中为古今热流关系因子；K(z)为随古埋深（z）变化的地层热导率。由此，重建古热流史与古地温史的方法就归结为寻求最佳的参数值，使利用实测资料计算的时间-温度综合作用指数与根据模型推算的理论值之间的偏差达到极小。,2.成熟史模拟（1）TTI模型TTI法由前苏联学者Lopatin于1971年首先提出，后经Waples(1980)修改，其基于基本假设“温度每升高10，反应速度增加一倍”，数学模型为：式中:t为埋藏时间，Ma；T(t，Z)为古地温，由热史模拟确定。大量实际资料表明，油气的生成和保存界线同TTI值有较明显的对应关系，利用最小二乘法建立RoTTT间的拟合关系式，且可用实测的Ro值来检验计算的TTI值的精确性与可靠性。,（2）EasyRo模型1990年，Sweeney和Burnham在1989年提出的VITRMAT模型及综合前人研究成果的基础上，推导出了一种计算%Ro的简化实用的动力学模型，简称为“Easy%Ro”模型。该模型以热模拟实验为基础，将镜质体的成熟反应分为四个主要的平行化学反应，即脱H2O、CO2、CH4及高碳数烃。计算Ro的数学表达式为：Ro=exp(-1.6+3.7Fj)(j=1，2，3，直到现在)式中，Fj为某一地层底界的第个埋藏点的化学动力学反应程度，其取值范围为00.85。Easy%Ro简单易行，适用于不同的受热条件，Ro的变化范围广（0.3%4.7%），且计算精度较高。,1.生烃史模拟模拟计算烃源岩生烃史的核心是确定现今岩石中的有机质重量和有机质在成烃转化过程中的转换率。（1）Ro生烃率模型该模型以岩石热解模拟实验资料为基础，根据在成熟度史中求得的TTI与Ro拟合关系，结合模拟实验得出的Ro生烃率关系或Ro裂解率关系，求取烃源岩在不同地质历史阶段的生油强度和生气强度，从而定量研究盆地的成烃史。由于热解模拟样品直接来自实际研究地区，针对性强，模拟结果与实际情况吻合，可信度较高，但对缺少热模拟实验数据的地区，模拟精度受到限制，且不适用于以生物化学作用为主的有机质成烃模拟。,四、生烃史和排烃史模拟,（2）化学动力学模型该模型基于干酪根热降解成烃的化学动力学原理，在埋藏史模拟所得的地层埋藏史和热史模拟所得的烃源岩古地温史的基础上，通过求解化学动力学方程组，计算出干酪根的降解率史，进而求得烃源岩的生烃史。该模型所需的参数相对较少，适用性较广，但其计算结果不如Ro生烃率模型可靠。（3）物质平衡模型物质平衡法最早由前苏联学者B.A.（1954）提出，认为有机质在转化前初始重量等于转化后残余物质的重量与各种产物的重量之和。J.W.Schmoker（1994）在讨论含油气系统中有效烃源岩生烃量的计算时，综合考虑简单性、精确性、适用性及资料获取的可行性等，提出了一种有关生烃量近似计算的质量平衡模型。该方法的计算流程分为四步。,生烃量近似计算方法的流程图,2.排烃史模拟排烃（初次运移）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烃的饱和度，并且越来越多的人承认微裂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（104t/km2）的数学表达式为：式中，H为计算单元的烃源岩平均厚度，km；为烃源岩在生烃开始后某时刻（压实前）的孔隙度，小数；1分别为烃源岩在压实后的孔隙度（小数）和体积（km3）；o为石油的地下密度，104t/km3；So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）压差法压差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了烃源岩与储集岩之间的压差排烃机理，适用于异常压实区。排烃强度Eex（104t/km2）计算的数学表达式为：式中，Eo为烃源岩的生烃强度，104t/km2，可由生烃史模拟获得；m、s分别为地层的泥岩与砂岩含量，小数；cm、cs分别为生油门限时泥岩与砂岩的孔隙度，小数；m、s分别为生油门限以下某时刻的泥岩与砂岩的孔隙度，小数；So为生油层进入生油门限后任一时刻的含油饱和度，小数。,（4）微裂缝法该方法假设由烃源岩内各种增压机制（主要包括欠压实、烃类生成等）联合作用产生的异常高压为烃源岩排烃提供动力，并是岩石产生为裂缝，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衡准则。排烃强度Eehc（kg/m3）模拟计算的数学表达式为：Eehc=cPV式中，c为烃类压缩系数，Pa-1；为烃类在地下温压条件下的密度，kg/m3；P为烃源岩孔隙流体压力与源岩临界破裂压力之差，Pa；V为排烃前单位体积烃源岩内烃类占据的体积，m3。,1.流体势分析方法M.K.Hubbert（1940，1953）把单位质量的流体所具有的机械能的总和定义为势，数学模型为：式中，为流