郭秋麟，陳寧生，柳莊小雪，劉繼豐，于京都

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.北京天騰網(wǎng)格技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100095 )

上世紀(jì)70年代以來，著名地質(zhì)學(xué)家BALLY[1]和朱夏[2]總結(jié)了含油氣盆地研究的總體思路，即從盆地的整體出發(fā)，通過對3T(time,tectonic setting,thermal regime)—4S(subsidence,sedimentation,stress condition,style)—4M(material,maturity,migration,maintenance)等因素分析研究，預(yù)測油氣資源潛力及分布。盆地模擬技術(shù)正是在相關(guān)學(xué)術(shù)背景下，受生烴動力學(xué)定量模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)的驅(qū)動，逐步發(fā)展起來的。盆地模擬涉及的內(nèi)容極為廣泛，包括地史、熱史、生烴史、排烴史和運(yùn)聚史等[3-9]。除了以上傳統(tǒng)的研究內(nèi)容外，目前盆地模擬技術(shù)也被應(yīng)用于非常規(guī)儲層——火山巖儲層天然氣運(yùn)聚成藏模擬[10-11]和流體充注歷史模擬[12]，非常規(guī)油氣——頁巖氣系統(tǒng)模擬[13-16]、生物氣系統(tǒng)模擬[17]和生物降解作用模擬[18]、天然氣水合物油氣系統(tǒng)模擬[19]等領(lǐng)域。

由于含油氣盆地演化過程的多樣性及油氣成藏歷史的復(fù)雜性，盆地模擬技術(shù)的發(fā)展正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。羅曉容[20]指出了油氣運(yùn)聚動力學(xué)研究中存在的動力、阻力、通道的認(rèn)識問題；石廣仁[21]認(rèn)為油氣運(yùn)聚定量模擬關(guān)鍵技術(shù)難以突破，存在模型過于簡單、地質(zhì)參數(shù)和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力還未達(dá)到要求等問題；劉可禹等[22]認(rèn)為許多模型還需進(jìn)一步完善，如流體動力模型、斷層封閉性模型、孔隙流體壓力模型、成巖作用模型、構(gòu)造模型、地質(zhì)模型等；BAUR等[23]回顧了盆地與油氣系統(tǒng)的過去、現(xiàn)狀，指出了風(fēng)險評價技術(shù)及與地球物理技術(shù)的結(jié)合是未來的發(fā)展方向；CURRY[24]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，非常規(guī)油氣模擬和油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)具有較大的應(yīng)用需求，是今后攻關(guān)的方向。

綜上所述，目前盆地模擬面臨最大的難題是復(fù)雜地質(zhì)條件下的油氣運(yùn)聚模擬問題，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一是油氣運(yùn)聚數(shù)值模擬技術(shù)。因此，本文聚焦在油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)的進(jìn)展，包括流線模擬技術(shù)(Flowpath Modeling)、侵入逾滲模擬技術(shù)(Invasion Percolation)和三維三相達(dá)西流模擬技術(shù)(Darcy Flow)。取得了3方面進(jìn)展：(1)在流線技術(shù)方面，提出一種簡化三維地質(zhì)模型的流線模擬技術(shù)。新技術(shù)基于目的層構(gòu)造面，通過建立簡化的三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)對三維圈閉空間和儲層物性的描述，解決了巖性地層油氣藏的模擬難題，實(shí)現(xiàn)了流線模擬技術(shù)的跨躍；(2)在侵入逾滲模擬技術(shù)方面，提出一種三維輸導(dǎo)體系混合網(wǎng)格建模方法和一種基于輸導(dǎo)體系混合維數(shù)網(wǎng)格系統(tǒng)的三維油氣追蹤技術(shù)，為透視油氣運(yùn)移路徑，模擬石油聚集、油藏調(diào)整和次生油藏的生成過程奠定了基礎(chǔ)；(3)在三維達(dá)西流技術(shù)方面，建立了順層柱狀PEBI網(wǎng)格三維動態(tài)地質(zhì)模型，精細(xì)刻畫了地層與流體的演化，構(gòu)建了變網(wǎng)格條件下的滲流方程，引入了全張量滲透率，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的滲流問題，使模擬效果得到改進(jìn)。

1 流線模擬技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展

1.1 流線模擬技術(shù)現(xiàn)狀

目前，流線模擬技術(shù)在油藏數(shù)值模擬中得到了廣泛應(yīng)用[25-27]。盆地模擬中的流線模擬技術(shù)是一種借鑒油藏模擬的地質(zhì)建模技術(shù)與二次運(yùn)移模擬技術(shù)，又稱為油藏分析法[21]。流線模擬技術(shù)主要基于二維構(gòu)造面的地質(zhì)高程特征，采用法線法(沿最陡方向)，并結(jié)合砂巖百分比等因素確定油氣的運(yùn)移方向[5]。采用流線模擬技術(shù)，能完成對盆地油氣流動過程和運(yùn)移路徑的模擬，模擬結(jié)果具有良好的可視化效果(圖1)，常被用于含油氣區(qū)帶評價、圈閉評價和油氣資源評價，為油氣勘探部署提供決策依據(jù)。

圖1 塔里木盆地滿加爾坳陷下古生界流線模擬Fig.1 Streamline simulation of Lower Paleozoic in Manjiaer Depression, Tarim Basin

在2000年前后，流線模擬技術(shù)才開始被引入到盆地模擬技術(shù)中[7,28]，并在國外的一些商業(yè)軟件中率先推出。2005年，喬永富等[29]介紹了流線模擬技術(shù)的原理，提出了實(shí)現(xiàn)過程，并用研究實(shí)例展示了模擬結(jié)果；2009年，石廣仁[21]論述了流線模擬的技術(shù)背景、方法、應(yīng)用效果、存在不足及改進(jìn)意見；同年，HANTSCHEL等[7]闡述了流線模擬技術(shù)與達(dá)西流模型、侵入逾滲模型三者之間的區(qū)別，指出了流線模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即模擬過程非常快，在大范圍和全盆地范圍的模擬方面具有明顯的優(yōu)勢；2012年，周東延[30]認(rèn)為，早期的油氣運(yùn)移流量流線圖曾采用“收斂系數(shù)法”等進(jìn)行過幾何編制，現(xiàn)已完成流量流線圖、運(yùn)移量等值線圖計(jì)算機(jī)模擬；并提出了“運(yùn)聚分配樣式”、“分割槽”、“匯聚梁”等概念；2013年，萬濤等[31]采用流線模擬技術(shù)對渤海灣盆地南堡凹陷成藏關(guān)鍵時刻油氣運(yùn)移過程進(jìn)行了模擬，揭示了油氣運(yùn)移關(guān)鍵時刻和有利的勘探方向；2018年，郭秋麟等[5]介紹了流線模擬技術(shù)的前提條件、追蹤法則、模擬步驟，展示了模擬實(shí)例圖。

1.2 簡化三維地質(zhì)模型的流線模擬技術(shù)

1.2.1 現(xiàn)有流線模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與不足

流線模擬技術(shù)是一種基于二維構(gòu)造面的模擬技術(shù)，具有操作過程簡便、參數(shù)少和模擬速度快等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。但也正因?yàn)槠浠诙S構(gòu)造面的地質(zhì)模型，無法描述三維圈閉的實(shí)際空間和儲層物性特點(diǎn)，只能近似模擬構(gòu)造型油氣藏聚集，無法模擬巖性地層型油氣藏的聚集。

1.2.2 地質(zhì)模型由二維到三維

針對二維構(gòu)造面無法描述三維圈閉空間和儲層物性的難題，本文提出用簡化三維地質(zhì)模型替代二維構(gòu)造面模型研究思路。簡化三維地質(zhì)模型由4個要素組成：

(1)要素1：構(gòu)造面，是指海拔高程等值圖，這是流線模擬的關(guān)鍵參數(shù)，不能簡化。

(2)要素2：蓋層，需要簡化。除了明確的溢出點(diǎn)和被斷裂等破壞的部分，其他位置均簡化為封閉狀態(tài)，不用詳細(xì)描述其他蓋層信息。

(3)要素3：儲層，也需要簡化。除了描述與圈閉有相關(guān)的孔隙度、孔喉半徑外，其他部分的孔隙度、孔喉半徑等均采用隨機(jī)值(根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布區(qū)間隨機(jī)抽樣賦值)，不用詳細(xì)描述其他儲層信息。

(4)要素4：烴源巖層，只需要指定源巖分布范圍和相對生烴強(qiáng)度及生烴總量(如果有已知的生烴強(qiáng)度圖就不需要生烴總量參數(shù))。

1.2.3 形成三維流線快速模擬技術(shù)

通過對地質(zhì)模型的改進(jìn)和運(yùn)聚模擬算法的升級，形成的新技術(shù)具有以下4個特點(diǎn)：

(1)用三維模型替代二維模型，不僅能夠完成流線追蹤模擬，還能夠計(jì)算圈閉內(nèi)油氣聚集量；

(2)用侵入逾滲追蹤算法替代浮力流追蹤算法，既能滿足構(gòu)造型油氣藏的模擬，也能適用于“礁灘”、“砂體”、不整合帶等巖性地層型油氣藏的模擬；

(3)通過軟件系統(tǒng)設(shè)置的回剝處理(標(biāo)志層拉平)技術(shù)，恢復(fù)古構(gòu)造面貌，進(jìn)而模擬古油氣藏的形成過程；

(4)繼承了原流線模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)——技術(shù)容易掌握，操作便捷，適用于盆地尺度，易于大批量和工業(yè)化推廣。

新技術(shù)在塔西南玉龍構(gòu)造帶寒武系鹽底構(gòu)造層的應(yīng)用展示了良好的效果，模擬了石炭紀(jì)(圖2a)和現(xiàn)今(圖2b)2個關(guān)鍵時刻的油氣運(yùn)聚結(jié)果，揭示了油氣不僅在構(gòu)造相對高部位的構(gòu)造圈閉聚集，也在斜坡區(qū)的巖性圈閉聚集，為巖性地層領(lǐng)域風(fēng)險探井的部署提供參考。

圖2 塔里木盆地西南部玉龍構(gòu)造帶寒武系油氣聚集模擬結(jié)果Fig.2 Simulation of oil and gas accumulation in Cambrian, Yulong tectonic belt, southwestern Tarim Basin

2 侵入逾滲模擬技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展

2.1 簡要發(fā)展歷程

侵入逾滲模擬技術(shù)與達(dá)西流模擬技術(shù)相比，發(fā)展歷程相對較短，還不到40年。1983年，WILKINSON等[32]首先提出了一種新的逾滲理論(Percolation Theory)；1992年—2000年期間，MEAKIN等[33-34]從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩方面研究了油氣侵入逾滲機(jī)理，并將該技術(shù)應(yīng)用于三維非均質(zhì)地質(zhì)體的運(yùn)移聚集模擬；2000年，CARRUTHERS等[35]運(yùn)用改進(jìn)的侵入逾滲技術(shù)模擬了流體的運(yùn)移過程；2003年，CARRUTHERS[36]詳細(xì)介紹了侵入逾滲技術(shù)的背景、原理、算法實(shí)現(xiàn)過程和適用性，探討了發(fā)展方向；2007年，周波等[37]運(yùn)用侵入逾滲模型探討了油氣運(yùn)移路徑的變化規(guī)律；2000年—2009年，HANTSCHEL等[38,7]詳細(xì)介紹了侵入逾滲技術(shù)，同時給出了翔實(shí)的應(yīng)用實(shí)例；2009年，石廣仁[21]介紹了侵入逾滲模擬技術(shù)的背景、技術(shù)方法、應(yīng)用效果和存在不足，提出了改進(jìn)意見；2013年，郭秋麟等[39]研發(fā)了一種三維侵入逾滲模擬軟件系統(tǒng)(3D-IP模型)，模擬了塔里木盆地塔中地區(qū)奧陶系油氣運(yùn)聚過程，展示了良好的應(yīng)用效果；2018年，郭秋麟等[40]在建立輸導(dǎo)體系網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種特殊的侵入逾滲模型，在準(zhǔn)噶爾盆地陸西地區(qū)侏羅系—白堊系的應(yīng)用，揭示了古油藏與次生油藏的動態(tài)運(yùn)聚過程。

2.2 基于輸導(dǎo)體系網(wǎng)格系統(tǒng)的侵入逾滲模擬技術(shù)

2.2.1 斷面網(wǎng)格的提出

為了模擬油氣在斷面中的運(yùn)聚過程，需要建立特殊的斷面網(wǎng)格。傳統(tǒng)的三維網(wǎng)格為地層體網(wǎng)格，即三維地質(zhì)體(地層實(shí)體)，適用于常規(guī)的油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)，不適用于油氣在斷面上運(yùn)移的模擬技術(shù)。因此，提出了斷面網(wǎng)格，即一種“面狀”網(wǎng)格，非三維實(shí)體網(wǎng)格。這種面網(wǎng)格既可以描述斷面，也可以描述不整合面。

為了形象地解釋斷面網(wǎng)格，給出了圖3。圖3a為一個常規(guī)三維地質(zhì)網(wǎng)格(地層實(shí)體)被一條斷層切割的情形。在三維空間上，一個網(wǎng)格變成A和B兩個網(wǎng)格，同時多出了斷面C。斷層就是一個曲面，將曲面劃分成若干個模擬網(wǎng)格，就是斷面網(wǎng)格。圖3b為平面投影的地層體網(wǎng)格和斷面網(wǎng)格示意圖。在三維地質(zhì)建模時，斷面網(wǎng)格是“面”，無體積。

圖3 斷面網(wǎng)格概念示意據(jù)郭秋麟等[35]修改。Fig.3 Concept of fault section grid

2.2.2 三維輸導(dǎo)體系網(wǎng)格系統(tǒng)的建立

通常的三維地質(zhì)網(wǎng)格體系是由許多獨(dú)立的三維地層網(wǎng)格體、網(wǎng)格體外表面(側(cè)面或頂?shù)酌?、面之間的交線和線與線之間的交點(diǎn)等幾何要素構(gòu)成(圖4)。這些幾何要素構(gòu)成了多種類型的網(wǎng)格，包括地層體網(wǎng)格(常規(guī)的三維體網(wǎng)格)、面網(wǎng)格、線網(wǎng)格和點(diǎn)網(wǎng)格。這些網(wǎng)格在輸導(dǎo)體系中都起到各自的作用，特別是面網(wǎng)格。

(1)面網(wǎng)格，是由斷面或不整合面構(gòu)成，建模初始時，斷面或不整合面都沒有厚度，只是三維地層網(wǎng)格體的側(cè)面或頂?shù)酌?，這樣在地質(zhì)建模時就避開了許多復(fù)雜的技術(shù)難題。但油氣運(yùn)聚模擬要求面網(wǎng)格有實(shí)體，這時需要賦予面網(wǎng)格一定厚度(根據(jù)實(shí)際厚度給定)，使面網(wǎng)格具有體積，此時面網(wǎng)格類似于薄板(圖4)。

(2)線網(wǎng)格，可稱為面網(wǎng)格的副產(chǎn)品，它是任意2個面網(wǎng)格相交出現(xiàn)的線段。當(dāng)面網(wǎng)格被給定厚度后，線網(wǎng)格就變成了體網(wǎng)格，即類似于管線，是溝通兩個相交的面網(wǎng)格(斷層)的通道，是油氣從一個斷面通向另一個斷面的交匯處。

(3)點(diǎn)網(wǎng)格，則是兩個線網(wǎng)格相交形成的交匯點(diǎn)，在兩條相交的斷層共同和一個不整合面再相交時(3個面相交時)，會出現(xiàn)這種情況。線網(wǎng)格類似于管線“四通”的轉(zhuǎn)換接口，它是溝通兩個線網(wǎng)格單元的紐帶，是溝通油氣在不同斷面或不整合面之間運(yùn)聚的重要交匯點(diǎn)。

以地層體網(wǎng)格為基礎(chǔ)構(gòu)架，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)遍歷搜索并建立面網(wǎng)格體系；在面網(wǎng)格體系下，建立線網(wǎng)格；在線網(wǎng)格體系下，建立點(diǎn)網(wǎng)格。將體網(wǎng)格、面網(wǎng)格、線網(wǎng)格和點(diǎn)網(wǎng)格，在三維空間上有機(jī)地聯(lián)合在一起，就形成了輸導(dǎo)體系網(wǎng)格體系統(tǒng)(圖4)。其中，體網(wǎng)格用于描述運(yùn)載層(如砂體)輸導(dǎo)體；面網(wǎng)格用于描述斷面和不整合輸導(dǎo)體；線網(wǎng)格和點(diǎn)網(wǎng)格用于描述輸導(dǎo)體之間的交接線和點(diǎn)。這套體系是模擬油氣在砂體(或運(yùn)載層)、斷面、不整合面輸導(dǎo)體中運(yùn)聚的重要網(wǎng)格框架和關(guān)聯(lián)組織。

圖4 輸導(dǎo)體系三維網(wǎng)格形成過程示意據(jù)郭秋麟等[35]修改。Fig.4 Three-dimensional mesh formation process for transportation systems

2.2.3 基于三維輸導(dǎo)體系網(wǎng)格框架的侵入逾滲模擬技術(shù)

由于輸導(dǎo)體系網(wǎng)格系統(tǒng)具有斷面網(wǎng)格等特點(diǎn)，因此基于三維輸導(dǎo)體系網(wǎng)格框架的侵入逾滲模擬技術(shù)與傳統(tǒng)的侵入逾滲模擬技術(shù)相比，數(shù)值模型就具有進(jìn)一步發(fā)展的前景。

侵入逾滲模擬技術(shù)，主要用于追蹤油氣運(yùn)移路徑。追蹤的基本法則是油氣運(yùn)移的阻力與驅(qū)動力之間的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動力大于阻力時，油氣就可以向前運(yùn)移；否則就停止運(yùn)移。在實(shí)際地層中，輸導(dǎo)體的滲透性能是不斷變化的，油珠或氣泡在輸導(dǎo)體中運(yùn)移的過程，時而暢通，時而遇阻。當(dāng)受阻時就要等待后續(xù)的油氣流體的補(bǔ)充以增大油氣柱高度，提高其驅(qū)動力(浮力)，才能克服路徑上的毛細(xì)管阻力，繼續(xù)向前運(yùn)移。這一過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，一是阻力，二是原有驅(qū)動力，三是后續(xù)的油氣流體補(bǔ)充量。阻力由多種力構(gòu)成，傳統(tǒng)的侵入逾滲模型中，主要考慮毛細(xì)管阻力。阻力的算式如下：

Fz=2σcosθ(1/r2-1/r1)

(1)

式中：Fz為通道毛細(xì)管力，MPa；σ為巖石界面張力，N/m；θ為潤濕角，(°)；r1和r2分別為當(dāng)前網(wǎng)格單元和待流入網(wǎng)格單元的巖石孔喉半徑，m。

驅(qū)動力一般只考慮油氣柱高度的浮力，其算式如下：

Fq=V(ρwater-ρoil)g

(2)

式中：Fq為油氣浮力，N；V為連續(xù)油氣的體積，m3；ρwater為地層水的密度，kg/m3；ρoil為地下油氣的密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2。

后續(xù)的油氣流體補(bǔ)充量與烴源巖的生烴動力學(xué)有關(guān)。油氣能否在斷面網(wǎng)格中運(yùn)移，可用驅(qū)動力與毛細(xì)管阻力的關(guān)系來判斷，還可以用其他參數(shù)判斷，比如斷層泥比例系數(shù)SGR(Shale Gouge Ratio)[41]。斷面的輸導(dǎo)能力或封堵性能與SGR有關(guān)，其表達(dá)式如下：

(3)

式中：Kmig的值為0～1，0代表封閉的，1代表連通的；SGR為斷距范圍內(nèi)泥頁巖累計(jì)厚度占地層厚度的比例，值為0～1之間，值越大封閉性越好，即連通性越差；SGRclose為封堵的SGR值下限；SGRopen為連通的SGR值上限；不同地區(qū)SGRclose和SGRopen的值有所差異，以渤海灣盆地沙河街組為例，SGRclose約為0.85，SGRopen約為0.25。

圖5，圖6分別為準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系—白堊系油氣運(yùn)移路徑追蹤結(jié)果和油氣聚集模擬結(jié)果。圖5主要展示了砂體、斷面和不整面3種不同通道相互銜接的效果，彰顯了輸導(dǎo)體系建模的重要作用；圖6展示了三維地質(zhì)模型中層面、斷面、含油砂體、運(yùn)移路徑和聚集區(qū)等重要模擬成果，驗(yàn)證了基于三維輸導(dǎo)體系網(wǎng)格系統(tǒng)的侵入逾滲模擬技術(shù)的有效性。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地腹部含油飽和度分布與運(yùn)移通道模擬結(jié)果Fig.5 Simulation of oil saturation distribution and migration pathways in hinterland, Junggar Basin

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地腹部石油聚集區(qū)與運(yùn)移通道透視圖Fig.6 Perspective of petroleum accumulation and migration pathways in hinterland, Junggar Basin

2.2.4 運(yùn)移路徑上原油含蠟量的模擬

原油含蠟量是驗(yàn)證油氣運(yùn)移過程的重要示蹤物，是從微觀角度和地球化學(xué)領(lǐng)域研究油氣運(yùn)移的可靠指標(biāo)。將原油含蠟量(或其他示蹤物)與數(shù)值模型結(jié)合在一起，可為解決油氣動態(tài)運(yùn)聚模擬和驗(yàn)證數(shù)值模擬效果提供一種重要的技術(shù)手段。

油氣從源巖到圈閉的運(yùn)移過程中，由于揮發(fā)、殘留以及受到溫壓、鹽度等地層環(huán)境變化的影響，原油含蠟量也會發(fā)生變化，其過程非常復(fù)雜，很難用固定的數(shù)學(xué)公式表示。但是，基本規(guī)律還是可以確定的，要么遞增，要么遞減，不變化的情況很少。本文提出2種原油含蠟量隨運(yùn)移距離變化的定量模型。

(1)反比變化模型：描述原油含蠟量隨運(yùn)移距離增加而快速變小的模型，表達(dá)式如下：

(4)

式中：y為原油含蠟量，%；y0為初始原油含蠟量，%；x為運(yùn)移距離，km；a為回歸系數(shù)，無量綱，大于0。

(2)線性變化模型：描述原油含蠟量與運(yùn)移距離的變化呈線性遞減(或遞增)的模型，表達(dá)式如下：

y=y0+bx

(5)

式中：b為回歸系數(shù)，無量綱；當(dāng)b> 0時，為遞增模型；當(dāng)b< 0時，為遞減模型。

圖7為準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系—白堊系油氣運(yùn)移路徑上原油含蠟量模擬結(jié)果，該圖展示了從南部地區(qū)到北部地區(qū)的運(yùn)移路徑上原油含蠟量從5%到11%的遞增過程。數(shù)據(jù)揭示：從源到聚集區(qū)，原油含蠟量由綠色、藍(lán)色向紅色呈逐漸增大的趨勢；在南部近烴源區(qū)，受古油藏的影響，存在混源現(xiàn)象，原油含蠟量變化規(guī)律不太明顯；遠(yuǎn)離烴源區(qū)，原油含蠟量變化更有規(guī)律。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地腹部原油含蠟量模擬結(jié)果Fig.7 Simulation of wax content in crude oils in hinterland, Junggar Basin

圖8為準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系—白堊系油氣運(yùn)移路徑上實(shí)測原油含蠟量與模擬值對比圖，該圖展示了夏鹽23井、陸156井等9口井實(shí)測原油含蠟量與模擬含蠟量的對比情況。數(shù)據(jù)揭示，模擬值與實(shí)測值比較接近，說明所采用的線性變化模型是有效的。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地腹部原油含蠟量模擬值與實(shí)測值對比Fig.8 Simulated and measured values of crude oil wax content in hinterland, Junggar Basin

3 三維達(dá)西流模擬技術(shù)

3.1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，三維多相達(dá)西流模型的核心算法包括以下3種：(1)有限元法：德國的PetroMod、挪威的3D SEMI、IBM公司的軟件等均采用這種方法。該方法適用于規(guī)則或不規(guī)則角點(diǎn)網(wǎng)格體系，如矩形網(wǎng)格、角點(diǎn)網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格等體系。(2)有限體積法：法國的Temispack軟件采用此種方法，適用于規(guī)則或不規(guī)則中心網(wǎng)格體系，如矩形網(wǎng)格、PEBI(Perpendicular Bisection)網(wǎng)格等體系。(3)有限差分法：美國的BasinMod軟件采用這種方法，僅適用于規(guī)則的中心網(wǎng)格體系，如矩形網(wǎng)格體系。不同算法的三維網(wǎng)格體系各有不同特點(diǎn)。規(guī)則的網(wǎng)格體系便于計(jì)算搜索，不規(guī)則的網(wǎng)格體系便于精細(xì)刻畫地質(zhì)模型。隨著勘探生產(chǎn)的發(fā)展和地質(zhì)數(shù)據(jù)資料的增加，生產(chǎn)人員對三維地質(zhì)模型精度的要求越來越高，早期較常用的規(guī)則網(wǎng)格體系(如矩形網(wǎng)格體系)已很難滿足復(fù)雜地區(qū)的建模需要?；诓灰?guī)則網(wǎng)格體系的PEBI網(wǎng)格建模技術(shù)，適用范圍更寬，模型精度更高，因此也成了目前流行的建模技術(shù)。

2000年以來，基于有限體積法的三維油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)已有較大進(jìn)展。2001年，馮勇等[42]研究了PEBI網(wǎng)格和有限體積法相結(jié)合的方法；2003年，石廣仁等[43]對馮勇的方法[42]進(jìn)行了改進(jìn)；2009年，HANTSCHEL等[7]對有限體積法進(jìn)行了深入的論述，推導(dǎo)了數(shù)學(xué)算法過程，給出了應(yīng)用實(shí)例，展示了模擬效果圖；同年，IBM公司W(wǎng)atson實(shí)驗(yàn)室MELLO等[44]提出了一種三維控制體積有限元法，用來模擬沉積物的沉積與變形、油氣生成、多相滲流及變形孔隙介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)過程；2010年，石廣仁等[45]發(fā)展了基于PEBI網(wǎng)格的有限體積法，并在塔里木盆地庫車坳陷古生界得到了應(yīng)用，取得了初步的應(yīng)用實(shí)效；2015年，郭秋麟等[46]提出了一種基于有限體積法的三維油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)，該技術(shù)在渤海灣盆地南堡凹陷的應(yīng)用，展示了油氣運(yùn)聚過程、不同時期含油飽和度與油氣資源豐度的模擬結(jié)果。

總之，在各種運(yùn)聚定量模擬技術(shù)中，三維多相達(dá)西流模擬技術(shù)是考慮因素最全面、較成熟的技術(shù)之一。該技術(shù)綜合了浮力、毛細(xì)管力和黏滯力的總和與流體勢的作用，采用連續(xù)方程、流動勢、達(dá)西定律和狀態(tài)方程等流體運(yùn)動基本方程組，運(yùn)用牛頓迭

代法等數(shù)學(xué)技術(shù)，計(jì)算不同歷史時期的水勢、油勢、氣勢、壓力及飽和度，從而實(shí)現(xiàn)了三維多相全時間的參數(shù)模擬，計(jì)算了烴類聚集量[21]。三維達(dá)西流模擬技術(shù)在理論上最先進(jìn)，但地質(zhì)參數(shù)很難達(dá)到數(shù)值模型的精度要求，實(shí)際應(yīng)用較少。因此，通過改善地質(zhì)網(wǎng)格模型，精確刻畫地質(zhì)參數(shù)，提高三維達(dá)西流模型實(shí)際應(yīng)用水平，是今后重要研究方向之一。

3.2 基于有限體積法的三維油氣運(yùn)聚模擬技術(shù)

3.2.1 三維地質(zhì)體網(wǎng)格劃分方法

基于優(yōu)先考慮地質(zhì)模型的精確刻畫的原則，本文采用不規(guī)則網(wǎng)格體系，即順層柱狀PEBI網(wǎng)格體系。該體系平面為二維PEBI網(wǎng)格，垂向?yàn)樽匀坏貙咏缑?橫網(wǎng)格)。這種網(wǎng)格體系在平面上能夠根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布構(gòu)建最優(yōu)平面PEBI網(wǎng)格，最大化地提高模擬運(yùn)行效率；在垂向上按地層界面劃分，保持網(wǎng)格面與地層界面一致(順層劃分)，避免了“穿時”，更符合地質(zhì)特點(diǎn)。

3.2.2 關(guān)鍵地質(zhì)問題的處理方法

包括地質(zhì)參數(shù)非均質(zhì)性、特定方向滲透率等問題。首先，采用隨機(jī)抽樣解決非均質(zhì)性問題。(1)統(tǒng)計(jì)建模。按沉積相類型分別統(tǒng)計(jì)孔隙度、滲透率和孔喉半徑等參數(shù)的最大值、最小值、均值和方差，得到參數(shù)分布模型；(2)抽樣賦值。按參數(shù)分布模型，通過隨機(jī)抽樣獲得不同網(wǎng)格的孔隙度、滲透率和孔喉半徑等參數(shù)。其次，采用全張量(矢量)滲透率解決特定方向的滲透率問題。①將滲透率分為主方向滲透率(Kx)、副方向滲透率(Ky)和垂向滲透率(Kz)3種特定方向。其中，河道、斷層的走向設(shè)為主方向，副方向與主方向垂直(相差90°)，垂向是指垂直地層面的方向(地層傾向)；②用矢量或方位角表示主方向；③將河道、斷層帶等所在的網(wǎng)格分別對Kx、Ky、Kz賦值。

3.2.3 三維數(shù)值模型的研究內(nèi)容

包括：(1)質(zhì)量守恒方程、滲流運(yùn)動方程、黑油模型流動方程的建立；(2)初始條件和邊界條件的設(shè)置；(3)全張量滲透率的分解與計(jì)算、傳導(dǎo)率的計(jì)算；(4)模型穩(wěn)定性與計(jì)算效率提高的處理方法等內(nèi)容。由于這部分內(nèi)容涉及較多的數(shù)學(xué)方程，本文不詳細(xì)論述。

3.2.4 應(yīng)用效果

以渤海灣盆地南堡凹陷古近系東營組為例展示應(yīng)用效果。

三維油氣運(yùn)聚模擬結(jié)果揭示，東營組在15 Ma時已開始有石油聚集；在8 Ma時南部聚集量增多；現(xiàn)今時刻達(dá)到最大聚集量，共聚集石油4.1 ×108t(圖9)。將石油聚集量換算成石油資源豐度(圖10)，將凹陷劃分為4個區(qū)。圖10揭示，石油主要聚集在B區(qū)的NP1井、C區(qū)的LPN1井和NP2井附近，在北部A區(qū)只有少量聚集，在東部D區(qū)沒有聚集。

圖9 渤海灣盆地南堡凹陷東營組含油飽和度模擬結(jié)果Fig.9 Simulation of oil saturation of Dongying Formation in Nanbao Sag, Bohai Bay Basin

圖10 渤海灣盆地南堡凹陷東營組石油資源豐度模擬結(jié)果Fig.10 Modeling of petroleum resource abundance of Dongying Formation in Nanbao Sag, Bohai Bay Basin

(1)從源到圈閉運(yùn)移路徑追蹤結(jié)果揭示，在東部蓋層不好的位置運(yùn)移路徑(綠色線)直接向上進(jìn)入出水口，直接出了模擬范圍，說明石油不在東營組聚集；在蓋層與圈閉配合良好的西南部及北部地區(qū)出現(xiàn)了較多的石油聚集(圖11a)；圖11c為路徑追蹤結(jié)果的另一種表示方法，記錄了石油通過側(cè)向運(yùn)移進(jìn)入到各聚集區(qū)的路徑(藍(lán)色流線，即運(yùn)移路徑)，為理解路徑與聚集的連接關(guān)系提供更佳的視角。

(2)從聚集區(qū)到源的路徑溯源結(jié)果(圖11b)揭示，主要聚集區(qū)的運(yùn)移路徑(綠色線)均來源于下部烴源層的生烴中心(紫色區(qū)域)。不管是正向路徑追蹤結(jié)果還是反向路徑溯源結(jié)果，都為油源跟蹤分析和油氣成藏研究提供了重要定量化和可視化數(shù)據(jù)。

圖11 渤海灣盆地南堡凹陷東營組石油運(yùn)移追蹤結(jié)果綠色和藍(lán)色線為路徑，網(wǎng)格顏色為含油飽和度，紫色部分為生烴中心。Fig.11 Tracing of oil migration pathways of Dongying Formation in Nanbao Sag, Bohai Bay Basin

4 結(jié)論

(1)流線模擬技術(shù)存在的主要問題是只有層面研究對象，沒有地質(zhì)體的概念。因而，不能有效模擬巖性地層油氣藏?；谀康膶訕?gòu)造面，通過建立簡化的三維地質(zhì)模型，替代二維構(gòu)造面，實(shí)現(xiàn)對三維圈閉空間和儲層物性的描述，既解決了巖性地層油氣藏的模擬難題，又繼承了原有流線模擬技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了流線模擬技術(shù)的跨躍。

(2)侵入逾滲模擬技術(shù)總體已經(jīng)比較實(shí)用，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下對斷面與不整合面等輸導(dǎo)體系的刻畫還不夠細(xì)化，無法單獨(dú)對斷面、不整合面賦參數(shù)，也難于保持?jǐn)嗝?、不整合面原有的自然形態(tài)，可能使輸導(dǎo)方向和輸導(dǎo)能力發(fā)生變化。針對這些問題，提出三維地層體網(wǎng)格與二維面網(wǎng)格的概念，建立地層、斷面和不整合面之間的相互關(guān)系，使原本孤立的輸導(dǎo)體連成相互關(guān)聯(lián)的輸導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使每個輸導(dǎo)體網(wǎng)格，能夠找到前后、左右之間的關(guān)系，能夠找到上下級的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)一種基于輸導(dǎo)體系混合系統(tǒng)的三維油氣追蹤技術(shù)，為透視油氣運(yùn)移路徑，模擬石油聚集、油藏調(diào)整和次生油藏的生成過程奠定基礎(chǔ)。

(3)三維達(dá)西流模擬技術(shù)在理論上最先進(jìn)，但地質(zhì)參數(shù)很難達(dá)到數(shù)值模型的精度要求。因此，改善地質(zhì)網(wǎng)格模型，精確刻畫地質(zhì)參數(shù)，是三維達(dá)西流模型發(fā)展的重要方向之一。本文為了能夠精細(xì)刻畫地層與流體的演化，建立了順層柱狀PEBI網(wǎng)格三維動態(tài)地質(zhì)模型，并構(gòu)建了變網(wǎng)格條件下的滲流方程，同時引入了矢量滲透率，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的滲流問題，使模擬效果得到改進(jìn)。