含油气盆地输导体系要素时空配置及运移路径模拟进展

含油气盆地输导体系要素时空配置及运移路径模拟进展

李永钱

身份证号：450602198611035110

摘要：输导体系是含油气盆地内油气由生烃中心向圈闭运移的“桥梁”，本文从输导体系的分类、输导性能研究入手将油气运移方式分为直接运移和间接运移方式并进一步对间接运移方式进行了分类。对输导体系的输导性能在空间上的不均一性及其影响要素进行了分析，同时对输导体系的输导性能随时间变化的规律性也进行了探讨。并以GIS的栅格数据结构为基础,按照油气运移的机理,借鉴地表水流向分析的GIS建模方法,构建了在GIS支持下开展油气运移路径模拟的详细算法,提出了基于DEM的油气运移路径模拟的基本流程，为研究各盆地的成藏有效性，以及含油气盆地的勘探部署提供了有益的参考。

关键词：含油气盆地；输导体系；运移路径；GIS

1.引言

输导体系是含油气系统中所有运移通道及其相互配置的总和（张照录等，2000）。作为油气成藏中连接烃源岩与圈闭之间的“纽带”，其有效性在一定程度上决定着盆地内各种圈闭最终能否成藏，而且还决定着油气的输导样式、运移方向和距离、油气聚集量、油气藏类型和成藏位置（付广等，2001）。输导体系将成藏要素和成藏作用连结成一个有机整体，控制着油气成藏。然而，不同类型的含油气盆地在演化过程中发育了多种输导体系模式，决定了油气运移的多期性，也并非所有输导体系都起输导作用，不同研究者依据的分类原则和侧重点有所不同，因此对输导体系有不同的分类和命名（龚再升，1999；姜建群等，2000；张卫海等，2003；梁书义，2005；朱筱敏，2005；卓勤功，2005；蒋有录等，2006）。谢泰俊等（1997）根据输导体系中不同类型运移通道的作用及其具体地质情况，将南海北部大陆边缘盆地划分出了4类运移通道体系：（1）以断裂带为主的运移通道体系；（2）与古构造脊相关的运移通道体系；（3）与活动热流体底辟作用相关的通道体系；（4）与不整合有关的运移通道体系。赵忠新等（2002）认为在含油气盆地中可以先将油气运移从逻辑上分为直接型和间接型。直接型是指油气从烃源岩直接排到圈闭中没有经过二次运移主要是在透镜型和岩性型的油气藏可以表现出来；间接型是指油气从源岩中初次运移排烃后，进入圈闭之前的过程中在输导体系中经过二次运移进入圈闭，它可以分为输导层（高孔渗砂体）、不整合面、断层和裂缝以及这4种类型的组合类型（李明诚等，1994；谢泰俊等，1997；付广等，2001）。

GIS 作为存储、管理、分析和可视化表达地理空间信息的软件系统, 近年来在社会生活各领域得到了广泛的应用。然而，作为GIS核心的空间分析功能所提供的应用模型是有限的, 在GIS 环境下开展特定领域的复杂问题分析, 需要通过二次开发将领域专家的知识嵌入到GIS 中,  不能通过GIS 提供的通用空间分析功能来模拟。本文基于GIS 的栅格数据结构,从油气运移聚集的机理出发, 探讨了在GIS 支持下的油气运移路径模拟的原理、方法及其实现途径, 构建相应的数学模型, 并将该模型与GIS 集成, 模拟出特定时期的油气运移路径。

2.输导体系类型

2.1 输导层型（高孔渗砂体）

沉积盆地内粗碎屑砂体构成盆地充填中骨架沉积体。它们既是油气运移的主要通道之一，又是油气聚集的主要场所。骨架砂体如三角洲、扇三角洲砂体、滨岸砂体、浊积水道砂体等均具有良好的孔隙性能，是沉积盆地内发育的重要输导体。当烃类从生油岩进入骨架砂体后，就以两相或三相流体的形式沿骨架砂体－输导体由高势向低势区运移和聚集。

2.2 不整合面型

不整合界面由于其长期遭受剥蚀往往形成疏松的具有一定渗透能力的输导层。不整合面经常出现在层序边界上，在层序界面上除存在不整合面以外，还有下切水道充填复合体，两者的密切配合可以作为油气运移的主要输导体系。

2.3 断层和裂缝型

沉积盆地中不同规模的断层及其裂缝体系是油气运移的最重要的输导通道之一，也是油气地质研究中的难点问题。一般来说，钻井仅仅只能揭露断裂的局部现象，地震剖面也只能勾绘断裂体系的宏观特征，而断裂体系开启性和封闭性则随着盆地的演化而变化。断裂体系的开启性和封闭性主要取决于：a）断层两侧的岩性对接关系；b）断层面上泥岩的涂抹和断层带角砾的胶结程度；c）断层力学性质的转换；d）地应力和流体压力的幕式变化等（李明诚，1994；张厚福和张万选，1989）。

2.4 组合型

实际上，在一个含油气系统中，输导体系并非只有单一类型，可以是以上2种或2种以上的组合油气从源岩到圈闭的过程可能先后经过不同类型的输导体系（张朝录等，2000）。油气运移路径在生烃凹陷附近形成密集的网络（Thomas and Clouse, 1995），而远离生烃凹陷生烃路径逐渐汇集构成油气运移的主通道，与生烃凹陷相联系的“构造脊”是油气运移的重要通道类型（龚再升和李思田，1997）。

3.输导体系要素在空间上的配置

3.1 孔渗性的作用

碎屑岩储集层孔隙度的大小主要取决于颗粒的矿物成分、颗粒的分选度和磨圆度、颗粒的排列方式以及胶结物的性质和数量等等（李明诚，1987）。通过孔隙结构的研究，我们知道孔隙主要决定岩石的储集性能，而连通孔隙与孔隙之间的喉道则主要决定岩石的渗透性。从运移通道的角度来看我们希望渗透性好，也就是希望喉道半径越大越好，孔隙半径与喉道半径的差值越小越好，这样就可以增加岩下的连通性，减少油气在运移中的毛细管阻力。

3.2 天然裂缝的作用

天然裂隙一般平直均匀有延伸性，因此成为油气运移的良好通道，同时还可以改善孔隙间的连通性和渗透性，尤其对改善致密岩石的渗透性具有重要意义。裂隙的成因类型很多，大体上可分为构造裂隙和非构造裂隙（超压引起的水力破裂）两大类。前者的特点是边缘平直，具一定的方向和组系，往往不受层面的限制延伸较远，是穿层运移的主要通道；后者的特点是受层理限制，不穿层，多平行层面，形状不规则，缝面有弯曲，是储集层内运移的重要通道。

3.3 断层的作用

关于断层作为油气运移通道，虽然是众所周知的事情，但也有许多争议和问题。从目前世界上很多含油气盆地的情况看，深部的油气往上运移与盆地中的深大断裂有密切关系，而同时又有一些断层形成圈闭。我国东部含油气的断陷盆地就可能是这种情况，因此，断层是做为通道还是做为圈闭要具体分析。

沿断层面运移的问题比较复杂。断裂带具有复杂的结构，通常发育一系列小断层、不同规模的裂隙（Gibson, 1994）、砂岩碎裂岩和泥岩涂抹层（Berg, 1995）。从理论上讲要发生这种情况至少要有3个先决条件：第一，断层面必须具有渗透率；第二，沿断层面上下必须具有流体流动的势能梯度；第三，断层两边地层的渗透率很低。显然，具有张性的正断层有利于油气沿断层面的运移。

3.4 不整合面的影响和作用

不整合面是二次运移的重要通道，这不仅是因为不整合面本身有着良好的渗透性，而且还因为它常具有区域性，能把不同时代、不同岩性的地层连接起来。一般来说，当不整合面上覆粗碎屑岩层时，只起向上运移的通道作用，若上覆泥质盖层时，则起侧向运移的通道和圈闭作用。

4.输导体系要素在时间上的配置

在输导体系中，油气二次运移总的来说是幕式流动的。这一方面受油气初次运移幕式排烃期次的影响和控制；另一方面二次运移也有临界运移饱和度和克服毛细管阻力的问题，往往需要有相当量的油气微聚集或在异常高压作用下地层破裂后才能发生运移；此外，还受断层通道幕式开启的影响（陈发景和田世澄，1989；真柄钦次，1981）。

油气在断层型输导体系中的幕式流动是最明显的，因为断层本身活动是幕式的，在微时间尺度内其通道性质是基本不变化的，只在宏观时间上呈现出幕式特征（图2a）。但不整合面、裂缝、高孔渗砂体在时间微尺度上其性质是不同的。              不整合面是在基准面抬升时，先沉积的地层或基岩遭受剥蚀形成了良好的渗透层。在其形成后输导性质基本上就固定了，除非经历再次的抬升剥蚀，形成另一个不整合面。新形成的不整合面的输导性质又是基本不变的（图2c）。而输导型的输导性质变化就比较明显。油气在输导层的孔隙中及少量裂缝中运移，孔隙比较小，烃类在其中的运移不可避免的导致孔隙性质的变化。流体可对其进行改造，其输导性质可以向好的方向变化，也可以向不好的方向变化。但目前的研究对流体流动过程中的化学物质搬运和沉淀及其对流体流动的影响考虑较少（郝芳等，2000）。以上研究属于流体与岩石的相互作用的问题，水-岩相互作用的研究在现在的盆地流体研究中是热点（图2b）。裂缝的输导性质的变化也是幕式的，其裂隙的形成是超压流体引起的水力破裂的结果时（Dewers and Ortoleva, 1994），当压力由于释放而减小时，其裂缝会随之减小直至完全闭合，输导能力会下降。所以裂缝型输导体系的输导性质是幕式和渐变相结合的（图2d）。

图2 输导体系的输导性能随时间变化的示意图

断层型；b. 输导层型; c. 不整合型; d. 裂缝型

5.油气运移的基本过程

油气生成后，通常并不在原地聚集, 而是要经过一定距离的运移在合适的场所——圈闭中聚。油气的运移可以分为初次运移和二次运移两个阶段（张万选和张厚福，1984）。Hindle（1997）认为输导层油气的运移路径受控于输导层顶面或封闭层底面的三维几何形态。油气在沉积盆地中极有可能沿着输导格架中输导层的顶面运移并经过多次聚集。因此，确定构造顶面的形态及油气再次聚集的条件是研究的关键。如果烃源岩生成烃类的体积不足以填充整个圈闭, 则不会发生再次运移；反之，则会沿着封闭面寻找合适的路径经过再次运移而形成新的油气藏。

6.基于GIS的油气运移路径分析建模

在GIS的应用模型中，有一个常用的模型为基于格网DEM的地表水流向分析模型（邬伦等，2001；李志林和朱庆，2001）。油气的运移也可以视为流体在地下的流动过程，因此，在一定程度上可以借鉴地表水的流向分析模型。在GIS环境中开展含油气盆地油气运移路径的模拟，具体如图3所示。

6.1 数据的获取

油气运移路径分析所需的基本数据包括油气主运移期输导层顶面构造等值线数据集、继承性构造闭合区面数据集和烃源区边界线数据集。其中，输导层顶面构造等值线数据集、继承性构造闭合区面数据集通过古构造分析得到，烃源区边界线数据集通过生油气源岩分析或已有的烃源区分布纸质地图数字化得到。

6.2 数据的处理

它包括通过空间插值以输导层顶面构造等值线数据集为基础生成输导层顶面DEM；通过矢量格式向栅格格式的转换，分别将继承性构造闭合区面数据集和烃源区边界线数据集转换为继承性构造闭合区栅格图和烃源区边界栅格图，然后通过栅格提取分别得到位于构造闭合区内的像元集合及烃源区边界像元集合。

6.3 运移路径生成

以烃源区边界像元集合中的每一个像元为油气运移路径的起点，通过油气运移路径分析模块追踪油气运移的每一条路径。如果需要考虑油气从一个圈闭到另一个圈闭的再运移，则鼠标选定溢出点作为油气再运移的起点，用构造闭合区内的像元集合作为限制油气回流的条件，模拟油气自一个圈闭向下一个圈闭的再运移。最后将每一条路径上的像元集转换为矢量线数据集。

6.4 可视化

将油气运移路径线数据集与输导层顶面构造线数据集及输导层顶面DEM同时叠加显示在一个视窗中，保存为油气运移路径图,供进一步分析研究使用。

图3 基于GIS的油气运移路径模拟流程

7.结论

输导体系的输导性能在油气运移过程中并不是一成不变的。断层型输导体系性质的变化是幕式的，它是和断层本身的开启、闭合相一致的；而裂缝型输导体系的性质变化是幕式和渐变相结合的，这与裂缝的形成机制有关。不整合面输导体系的性质在其形成之后变化就不是很明显了，可以基本上认为是不变的，除非发生另一次抬升导致形成另一个不整合输导体系。输导层型（高孔渗砂体）的输导性质变化是不确定的，主要是根据油气在其孔隙中流动过程中与孔隙表面的相互作用，导致的输导性能的变化方向。其变化有利于油气运移和不利于油气运移的两个方向。在一个含油气盆地中，同一个含油气系统中的各种类型的输导体系必须在时空上相匹配，才有可能形成具有商业价值的油气藏。

借助GIS 三维可视化表现手法, 不仅可以较好地模拟出天然气主运移期天然气的运移路径, 而且可以将生成区、运移路径及聚集区直观地表现出来, 从而为油气勘探决策目标的优选提供较可靠的依据。

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