4地质信息技术之-地质成矿过程的动态模拟

地质信息技术之地质成矿过程的动态模拟杨永国中国矿业大学资源与地球科学学院地质与成矿过程的动态模拟是地质信息技术领域最为活跃也发展最快的领域之一。这方面的内容难度较高，这里主要介绍简单介绍盆地模拟和油气系统模拟初步知识。第一节盆地模拟和油气系统模拟简介盆地模拟和油气系统模拟是近年来在石油地质勘探领域发展最为迅速的仿真技术。它们综合地质学、地球物理学和地球化学的资料，采用计算机技术定量地再现盆地形成、演化历程及其中石油、天然气的生成、运移和聚集状况，对降低油气勘探风险、深化地质认识并促进地学定量化等方面有着重大意义。盆地模拟的目标，是再造盆地系统的构造史、沉积史、地热史、有机质成熟史、生烃史和排烃史，实现盆地油气资源潜力的总体定量评价；油气系统模拟的目标，是再造各级油气系统的油气生成史、排放史、运移史、聚集史和散失史，实现各级油气系统的油气资源潜力定量评价。前者是总体的概略模拟评价，后者是局部的详细模拟评价；前者是后者的基础，而后者是前者的发展和深化。一、盆地模拟和油气系统模拟的方法论盆地模拟与油气系统模拟软件的研发涉及盆地地质与油气成藏作用的各个方面，需要运用系统工程的思想与方法，提出明确的预定功能和目标，协调好各元素之间及元素与整体之间的有机联系，同时考虑参与系统活动的人的因素及其作用，以便使系统从总体上达到最优。这里着重介绍盆地模拟与油气系统模拟的系统观念和方法基础。1.盆地模拟和油气系统模拟的系统观念对于盆地整体系统而言，其构成要素包括各个坳(凹)陷级子系统；而对于各个子系统而言，其构成要素为下属次级子系统或者各有关参数，包括与天然气生成、运移与聚集有关的各种地质作用子系统，例如同沉积构造作用、后沉积构造作用、沉积作用、地热作用、成岩作用、生烃作用、排烃作用、运烃作用、聚烃作用，等等。这些子系统可以部分地合并成一个较大的系统，也可以再分解为更低一级的子系统。盆地系统及其每一个子系统和次级子系统，都与外界进行物质交换、能量交换和信息交换，既有输入也有输出，维持着自身的稳定状态。每一个子系统和次级子系统都有自己发生、发展的规律和方向，有很强的抗干扰能力。然而，它们又都服从于盆地系统的总规律、总方向，有一些共同的影响因素。相邻子系统及次级子系统之间，都没有明确的界限，甚至共用一个空间。它们相互穿插、相互联系、相互制约，任何一个子系统或次级子系统的状态变化，都会直接或间接地影响相邻子系统的状态变化，甚至可能导致盆地系统的总体变化。因此，石油天然气的生排运聚过程和机制，必须置放于盆地大系统中，整体地、联系地、动态地进行考察。盆地分析的实质是在查明盆地演化的时空结构要素的基础上，重建盆地各个子系统(包括次级子系统)及其相互作用的演化历史，进而再造整个沉积盆地及其中矿产资源的演化历史，对盆地的油气及其它矿产资源作出准确评价的系统方法。盆地模拟的目标，是再造盆地系统的构造史、沉积史、地热史和有机质成熟史，实现盆地油气资源潜力的概略定量评价；油气系统模拟系统作为盆地模拟系统的发展，目标是再造各级油气系统的油气生成史、排放史、运移史、聚集史和散失史，实现各级油气系统油气资源潜力的精细定量评价。2.概念模型的相似性问题与构造-地层格架的反揭再造油气成藏动力学模拟系统的研制遵循由实体模型到概念模型，再由概念模型到方法模型，然后由方法模型到软件模型的建模过程。概念模型是实体模型的抽象描述，它与实际过程的符合程度，即概念模型的相似性，是模拟成败的关键之一。满足以下两个条件：(1)模型所描述的过程应该是盆地演化的实际过程；(2)模型应当考虑到盆地本身的复杂性，不能过分简化。国内外已有的盆地概念模型多以构造模型为格架，大致可分为拉张型(裂谷和裂陷盆地)、挤压型(前陆盆地和压陷盆地)和剪切型(走滑盆地和拉分盆地)等3种单一模型。这些模型尽管符合某些典型盆地的实际情况，却与我国多数盆地的演化历程有较大的差别。使用单一机制和单一演化历程的动力学概念模型来设计三维盆地构造模拟系统，很难得到理想的效果。此外，地层和沉积体的三维动力学模拟在近期内也不可能真正解决。为此，需要采用序列回剥、体平衡技术和可视化技术，客观地再现盆地构造—沉积格架的四维时空演化，解决概念模型的相似性问题。此外，在使用常规的动力学模型模拟油气成藏作用时，为了使模拟结果与勘探实际相吻合，人们常采用“约束反演”方式，即通过修改输入参数值来逼近模拟对象。3.地质作用子系统之间的反馈控制问题与油气系统动力学模型大量事实证明，盆地系统、油气系统及其各地质作用子系统的演化，是受复杂的控制机理所支配的，因此，在制定有关盆地系统模拟和油气成藏动力学系统模拟的方法模型时，不能回避控制论方面的内容。反馈控制作用对系统演化的重要性，可以通过对系统本身的特征和性质的分析来了解。从控制论角度看，任何系统及其各级子系统可以划分为开环系统和闭环系统两类。其中，开环系统不是反馈控制系统，而闭环系统是反馈控制系统。与盆地油气藏形成演化有关的各地质作用子系统，大多属于闭环系统。对这种闭环系统进行模拟，不但需要对输出量进行测量或估计，而且还需要不断地将输出量反馈到输入端，以便与输入量进行比较，动态地调节输入量。反馈控制系统还可以进一步划分为正反馈系统和负反馈系统两种类型，可通过对盆地系统及其各级子系统的具体分析来正确划分。当前的盆地系统和油气系统研究与模拟工作，多数只强调子系统之间的控制作用。常规的做法是将一个子系统(或次级子系统)的模拟结果，作为另一个子系统(或次级子系统)的初始条件和(或)边界条件，而忽略它们之间的相互作用和反馈控制机制。例如，通常只注意生烃作用对排烃作用的控制，却忽略了排烃作用对生烃作用的反馈控制。借鉴和引用技术控制理论来揭示盆地系统和油气系统的反馈控制机理，并且近似地加以描述，是油气成藏动力学模拟工作者面临的重要课题。4.油气成藏的非线性动力学过程和多种方法模型的综合应用数学模型的正确选择，是合理制定盆地模拟和油气系统模拟方法模型的另一个重要条件。选择什么样的数学模型来描述地质过程，涉及地质体的数学特征问题。地质体的数学特征是指地质体各种属性的数量规律性，只有当揭示出地质体的数量规律性或当各种数学特征能反映地质体的本质特征和总体特征时，才能称其为地质体的数学特征。这里存在两个方面的问题，其一是如何正确认识地质体的数学特征；其二是如何准确描述地质体的数学特征。目前盆地模拟所采用的数学模型主要是常规动力学模型——描述精确的物理和化学定律的微分、偏微分方程的集合。毋庸置疑，沉积盆地和油气系统有其精确的一面，例如盆地古地热场、有机质热演化、古构造应力场和生烃作用，在总体上就具有较高的精确性，采用常规动力学模型来描述较为合理、可靠。但是，沉积盆地和油气系统却更多地表现出随机性、模糊性和非线性的另一面，导致人们无法逐一精确地测定、评价其有关参数，更难以——用微分析方程来描述事件发展的全过程。从根本上说，地质演化进程所表现出来的上述随机性和模糊性特性，在很大程度上是由地质作用的非线性动力学机理所决定的。然而，目前的非线性动力学还不足以帮助我们建立起完善的数学模型，来模拟盆地系统及其中油气生成、排放、运移、聚集和散失作用子系统的演化历程。为了解决这个问题，一方面可引入描述地质体特征的新参量——分维和多标度分形谱，来描述其复杂程度和成因特征；另一方面可根据耗散结构论和协同学原理，采用选择论的方式分阶段地选用相应的数学模型，把确定模型和随机模型、准确模型和模糊模型有机地结合起来。在描述某一子系统时，如果整体上采用确定性模型，其中某个次级子系统或某些控制参数仍可以采用随机模型来推测；反之，如果整体上采用随机模型，其中某些控制参数或现象也仍然可以采用确定性模型来求解。此外，在对沉积盆地和油气系统中一些复杂的、尚未查明的局部非线性过程，例如油气的运移和聚集过程，进行动力学模拟时，还可以考虑人工智能模拟方法——人工专家系统和人工神经网络系统方法以及二者的结合应用，以便发挥地质专家分析问题和解决问题的特殊才能，完成各个子过程之间的衔接和交替。这就是说，在进行盆地模拟、油气成藏动力学模拟系统设计时，应当采用综合性的方法模型。这当中不但包括多种数学模型的综合运用，而且包括数值模拟与人工智能模拟的结合，同时也包括常规动力学与非线性动力学的结合。二、盆地模拟技术简介所谓盆地模拟(BasinModeling)是从石油地质的物理化学机理出发，通过地质模型的数学化和程序化，运用计算机定量地模拟油气盆地的形成和演化、烃类的生成和排放的一项高新仿真技术。国内外多年的研发与应用实践证明，盆地模拟是实现含油气盆地分析和石油地质勘探定量化、信息化和自动化的重要技术手段之一。1.盆地模拟的任务、性质和内容盆地模拟的方法是一种定量化方法，盆地模拟系统是以石油地质机理为基础、应用多学科知识而建立起来的大型综合软件，通常包含有地史、热史、生烃史和排烃史等四个模型，相互间组成有机的统一体。这种针对含油气盆地整体演化历史的定量模拟技术的出现，第一次使石油地质学家直接定量地揭示盆地油气本质和规律的理想成为现实。盆地模拟的近期发展，主要是从单因素的有机地球化学模拟，转变为多因素的盆地演化综合模拟；从1维空间的单井序列模拟，转变为2维空间的联井剖面模拟，并且正在向3维空间的区块或盆地整体模拟前进。盆地模拟技术的进一步发展，涉及到一系列基本观念、基本理论和基本方法的改进，需要加以认真的探讨。盆地模拟的任务是实现石油地质研究和勘查过程的定量化和自动化，为石油地质家提供一个快速、定量、综合的研究手段。盆地模拟的一个重要特点是着眼于研究对象的整体，从分析影响盆地形成演化和油气生成排放的诸因素入手，关联地、动态地、全面地、定量地把握盆地及其内部各独立的油气生聚单元(坳陷、凹陷或次凹等)的沉积史、构造史、热流史、地温史、生烃史和排烃史。盆地模拟系统的工作方式，是尽可能精确地输入地质、地震、测井、地化以及开发试验等数据资料，通过模拟演算实现对盆地整体或盆地内某一个地质单元的油气资源综合评价，为勘探开发提供决策支持。通常认为，一个完整的盆地模拟系统由如下四个模型有机组合而成：——地史模型；——热史模型；——生烃史模型；——排烃史模型(油气初次运移)。地史模型的功能是重建油气盆地的沉积史和构造史、应考虑沉积间断、沉积压实、欠压实(超压)、单层剥蚀、多层连续剥蚀、断层及古水深等地质现象。该模型是盆地模拟的基础，其精度直接影响后面四个模型的精度。采用的模拟方法可分为三种：回剥技术(适用于正常压实带)；超压技术(运用于欠压实带)；回剥与超压相结合的技术(适用于正常压实带和欠压实带)。这三种技术都是建立在垂直沉降假设的基础上。近年来，为了超越这一假设的限制，普遍引进了适用于拉张或挤压条件的平衡剖面技术。热史模型的功能是重建油气盆地的热流史和地温史。该模型是盆地模拟的关键，因为地温史是烃类成熟度的最重要客观因素。采用的模拟方法通常为两种：地球热力学法(可靠性较差)；地球热力学与地球化学相结合的方法(可靠性较好)。生烃史模型的功能是重建油气盆地的烃类成熟度史和生烃量史。该模型是盆地模拟的的核心部分，因为生烃量史是油气资源评价的基本依据。所采用的模拟方法有三种：TTI-Ro法(TTI(时间温度指数)-Ro(镜质组反射率))(适用于勘探程度较高地区)；化学动力学法(适用于勘探程度中等地区)；Easy%R。法(适用于勘探程度较低地区)。排烃史模型的功能是重建油气盆地的排烃史(又称油气初次运移史)。该模型也是盆地模拟的重要的部分，所采用的模拟方法有：压实法求排油史，适用于孔隙度变化正常的情况；压差法求排油史，适用于孔隙度变化异常的情况；物质平衡法求排气史；渗流力学法求排油史、排气史、排水史。有些研究者把油气运移聚集史模型列为盆地模拟范畴。但多数研究者认为，油气运移聚集史模拟是有其系统模拟地任务，甚至认为盆地模拟与油气系统模拟的差别就在于前者不做油气运移聚集史模拟，而后者要做油气运移聚集史模拟。开展油气资源综合分析与评价的目的，是确定潜在油气藏的位置及其资源量。当前的油气资源综合评价技术充分地利用了