油氣成藏動力學研究的回顧與展望

油氣成藏動力學研究的回顧與展望

0油氣成藏動力學油氣系統(tǒng)的概念及其系統(tǒng)研究方法的提出，極大地促進了油氣工程的發(fā)展，在中國的石油地質工作者中得到了廣泛認為，并取得了顯著成效。但含油氣系統(tǒng)的思想和方法在指導我國復雜含油氣系統(tǒng)條件下的油氣地質研究和勘探實踐中也顯露出不足:同一油氣系統(tǒng)內往往具有多個動力學特征不同的成藏系統(tǒng),而動力學特征相似的成藏系統(tǒng)又可能屬于不同的含油氣系統(tǒng),造成含油氣系統(tǒng)方法不能深入地分析油氣運聚成藏的機制和過程。因而,我國學者相繼提出了油氣成藏動力學的概念、系統(tǒng)劃分及研究方法[2,9,10,11,12,13,14,15]。但目前對于油氣成藏動力學研究的概念、內涵、重點的研究內容和應用方法等方面仍較為模糊,不同的學者有著不同的認識。其主要的差異在于油氣成藏動力學到底是一門有別于石油地質學和含油氣系統(tǒng)的新興學科,還只是石油地質學研究的進步和延伸。實際上這樣的爭論在如何進行含油氣系統(tǒng)研究的過程中也曾發(fā)生。筆者擬從動力學方法的概念、石油地質學形成和發(fā)展的歷史、定量的油氣地質研究方法及其應用等方面對此進行分析,提出油氣成藏動力學的觀點:油氣成藏動力學應理解為對油氣運聚成藏地質條件、影響因素、動力條件及演化過程的動力學研究,即以定量的描述和分析為主要方法,重點關注油氣成藏的時間、油氣運聚的動力特征/背景及其演化、油氣運聚的通道格架及其演化、以及在一次成藏期內運聚動力與通道的耦合關系。1地球動力學的定義追根溯源,動力學是理論力學的一個分支學科,動力學的研究以牛頓運動定律為基礎,主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學的研究對象是運動速度遠小于光速的宏觀物體。但將動力學的概念引入地質學研究之后,其內涵和外延都發(fā)生了重大的變化。Scheidegger對地球動力學(Geodynamics)作了如下定義:地球動力學主要就是對地球上存在的各種構造運動作宏觀的動力學分析。這是因為地球內部不斷地發(fā)生著的物質和能量的運動通過各種構造運動使深部的物質和能量轉移到地球的淺部,控制了地殼的地質特征,并與地表外生營力共同作用,造成各種地質現(xiàn)象。因而地球動力學就是應用動力學的方法研究地球系統(tǒng)的行為。這樣的地球動力學概念和內涵實際上與地球科學本身在時空上的不可再現(xiàn)性、研究所能夠獲得的觀察資料的不完備性及分析手段相對簡單性不無關系。地球動力學研究的是地質現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的成因機制和演化過程。動力學分析是地質學科學研究的精髓,包括對研究對象發(fā)生和發(fā)展的基本機制的認識,也包括了對其演化過程的關注。地球動力學研究的是實際觀測到的地殼構造變動現(xiàn)象的幾何規(guī)律及其所經(jīng)歷的運動、演化過程,并力求從力學角度研究地球構造變動的動力源、動力作用方式和過程。2盆地流體動力學研究石油地質學是關于石油、天然氣等有機流體礦產(chǎn)的生成、運移、聚集和保存條件等在沉積盆地內發(fā)生、發(fā)展、演化的科學。石油地質學研究的主要內容包括油氣的生成、儲集、封蓋、運移、圈閉、保存等諸方面的原理和研究方法。作為流體礦產(chǎn),油氣通過運移而聚集成藏的機理和過程一直是石油地質學研究的核心,并隨科學的進步和人們對于油氣地質條件的認識而發(fā)展。對油氣成藏形成機理的研究始終伴隨石油天然氣的勘探進展,對油氣運聚成藏進行分析的思路和方法很早就應用于指導勘探實踐。早在1861年,加拿大地質學家亨特提出背斜成藏學說時,其理論基礎就是油氣在飽含水的地層內靠浮力向上傾方向運移、聚集。到20世紀初,非背斜油氣藏的發(fā)現(xiàn),并隨著地震探測技術的應用而對其圈閉特征的認識,促使人們逐步認識到油氣因運移而聚集且受流體動力的控制,圈閉是油氣聚集的終點。到20世紀50年代,浮力、水動力和毛細管力已被確定為成藏過程中影響油氣運移聚集的主控因素,油氣成藏過程被看作為一個完整的動力學過程。20世紀60年代后期以干酪根降解成烴為核心的有機晚期成油學說確立后,人們開始真正從油氣生成出發(fā),系統(tǒng)地考慮油氣生成、排出、運移、聚集成藏的過程。這時,人們對于油氣的生成已基本可以定量地從動力學角度加以研究,但對于盆地內流體的活動特征,特別是油氣運聚機理和過程,仍了解甚少;對于油氣在有效烴源巖內生成之后的運移過程中的相態(tài)、動力、阻力、通道、方向、距離、時間等都還只能作定性的分析,對于油氣成藏過程和機理的研究也只能停留在對油氣成藏基本要素(烴源巖、儲集層、蓋層、排烴、運移、圈閉及保存條件)是否存在、如何受盆地形成演化的影響和控制、各個因素間的時間匹配關系等方面,其目標主要是油氣運聚成藏的規(guī)律。20世紀80年代以來,有機地球化學方法取得長足進步,盆地內部不同層位的油氣發(fā)現(xiàn)之間的關系得到較為可靠的確認;流體勢作為油氣運移的動力背景,其表現(xiàn)形式及與油氣運聚間的關系得到進一步的研究;油氣初次運移的機理和過程得到廣泛的討論并獲得較為深入的認識,使之不再限于理論上的探討,而成為在實際成藏過程研究中可以使用的方法;在此基礎上,人們認識到油氣從生成到聚集成藏都發(fā)生在沉積盆地內的自然系統(tǒng)中,包括活躍的生烴凹陷、所有與其有關的油氣及形成油氣藏所必須的地質要素及作用。盡管許多學者將含油氣系統(tǒng)的概念和方法體系認為是一個新學科的開端,但就含油氣系統(tǒng)的思想及對油氣成藏條件和過程的認識而言,只是對油氣自生成至成藏的過程進行研究的思路和方法,體現(xiàn)了石油地質學研究發(fā)展的趨勢,是石油地質學發(fā)展過程中的一個重要階段。20世紀80年代以來,以盆地流體流動機制、流動樣式、溶質運移、流體—巖石相互作用及其成藏(礦)效應等為重要內容的盆地流體動力學研究異?；钴S。利用地球物理和地球化學技術直接追蹤油氣運移通道、古流體的運動歷史、斷層在油氣成藏中的作用以及富含烴類的盆地熱流體的成礦作用等方面已獲得許多重要成果。層序地層學和地震巖性預測技術的發(fā)展,為構建盆地內的流體輸導體系格架提供了可能。綜上所述,長期以來的石油地質學研究及其在勘探實際中所起到的作用無一不表明,利用動力學的思想和方法研究油氣成藏的過程是石油地質學一直努力的方向,石油地質學理論的每一次飛躍都是在某一方面的動力學研究獲得突破的結果。在目前的科學技術及石油地質學本身所達到的發(fā)展水平來看,從動力學角度,綜合定量地研究油氣成藏的機理和過程,實現(xiàn)油氣路徑的追蹤,順藤摸瓜,邏輯地分析并準確地預測油氣運聚成藏的方向和范圍的成藏動力學研究階段已經(jīng)到來。3模型模擬的實現(xiàn)依賴在地質研究的尺度上在過去大多數(shù)的時間內,大多數(shù)地質動力學研究都是采用邏輯推理的方法,將今論古,推測研究對象發(fā)生、演化的機制,描述其過程。由于地質的研究對象在空間上難以把握,時間上不可重復,決定了這種定性的動力學研究往往難以考慮眾多地質因素的共同作用及其間的相互關系,無法解決研究結果的多解性難題。因而,定量方法一直是地質學研究追求的目標,是使地質學進入真正的科學研究范疇的希望。將物理學、物理化學和巖石力學、流體力學等的經(jīng)典理論和數(shù)理方程引入地質學某些方面的定量分析由來以久。人們針對某些地質問題建立地質模型并從中抽提出反映其本質的內容建成數(shù)學模型,獲得某些控制和影響該地質現(xiàn)象發(fā)生和演化的關鍵因素,進而定量地分析其相互關系,研究該地質現(xiàn)象發(fā)生的過程和機理。但由于地質問題的復雜性,能夠建立數(shù)學模型而又能獲得解析解的情況少之又少,很難在實際工作中普及使用。直至20世紀80年代,由于計算機技術和數(shù)值計算方法的飛速發(fā)展,建立在有限元、有限差分等大型離散數(shù)值計算基礎上的數(shù)值模型方法迅速發(fā)展,為定量分析地質現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展、演化過程提供了方便而又現(xiàn)實的方法和工具。地質過程是十分復雜的。每一個地質現(xiàn)象在其形成的過程中都可能經(jīng)歷了多次構造運動,受到了眾多地質因素的影響,是多種地質作用共同完成的結果。精細地刻畫該地質現(xiàn)象的每一個細節(jié),再現(xiàn)其所經(jīng)歷的每一次地質過程的每一步顯然是不可能的。前人的研究發(fā)現(xiàn),盆地內的許多復雜地質現(xiàn)象和過程在某些時間段、某一限定范圍內某一個地質作用甚至其中某一個物理作用明顯大于其它作用。因而在定量地分析某一地質現(xiàn)象時,不必要全面地描述該地質現(xiàn)象的所有組成部分和過程,而只要將研究對象與所研究問題相關的部分抽提出來,在特定的時間和空間范圍內建立起簡單明了的關系,從而得以在數(shù)學上設立易于求解的限定條件,使描述該體系的方程大大簡化,定量地獲得對所研究地質對象某些本質特征的認識。這就是尺度分析的思想,而模型化的研究方法是實現(xiàn)這種研究思想的主要方法。模型方法是進行地質學定量研究的可靠和現(xiàn)實的研究方法,長期以來一直為地質學研究所重視,構成了地質學三大研究方法之一的實驗室分析的重要組成部分。所謂模擬就是通過對研究對象實質的描述,再現(xiàn)研究對象發(fā)生、變化過程的操作,而實現(xiàn)模擬分析的基礎是根據(jù)研究對象的特征所建立的模型。一個好的模型必須包括并正確描述模擬對象的主要內容及其相互關系;而且其所涉及的各種過程必須在研究者所具備的條件下,在有限的時間內得以實現(xiàn)。地質學研究中使用的模型可能有多種層次和類型,它們可以是地質分析的,如沉積相模式、泥巖壓實模型等等;也可以是物理的,如泥巴構造模型、光彈模擬分析等等;還可以是數(shù)學的,如地下水的滲流分析、盆地模擬等等。對于地質問題,模型化方法得以實現(xiàn)的重要步驟是尺度分析。嚴格地講,所有的地質體都是非均質的,這種非均質性是由宏觀上和微觀上的各種控制因素所決定的。地質上往往根據(jù)研究手段的精度和研究目的的需要,將所研究的對象視為均勻的,以便利用已有的知識和方法加以分析。因而,在某一尺度上基本可以視為均質的地質體,在更高一級的尺度上可能是非常不均質的,比如巖石在顆粒的尺度可以將組成顆粒的礦物視為均質的,但在巖石的尺度,一塊巖石就有可能是由不均勻的礦物組成;反過來,在某一尺度上非常不均勻的地質體,在更高一級的尺度上則又可能視為是均質的,如裂隙系統(tǒng),巖石的各種性質在裂隙尺度都是非均勻的,但在地層的尺度,這些特性中的一部分則可視為是均勻的。因此,在研究中必須區(qū)分研究的尺度并明確各種限定條件,勾畫出所涉及問題的輪廓,理清主要研究內容及其與環(huán)境和其它主體間的關系,針對研究對象的特點建立起合適的模型,然后利用各種定量研究方法對地質對象的某一方面的物理量值進行模擬分析,最終獲得對該地質對象的某些本質特征的認識。地質學畢竟還主要是一門以表述性為主的學科,從定性到定量的轉變才剛剛開始,并非全部的研究對象都可以定量的描述。因而,尺度分析的原則是在對各個因素作用的時間和范圍更為深入理解的基礎上,在建立模型的過程中根據(jù)研究的目的選擇合適的時空尺度,以保證擬研究的對象在選擇的尺度范圍內最為突出,在忽略那些不太重要的因素時不會影響主要研究對象的本質特征。沉積盆地分析和沉積盆地模擬技術就是模型化的思想與盆地動力學結合的產(chǎn)物,也是地質動力學定量研究的有效工具。到20世紀90年代初,盆地模型方法已被廣泛接受,在全世界范圍內普及開來并實現(xiàn)了商業(yè)化。這種方法的推廣大大增強了人們對沉積盆地的認識,增加了礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)的成功率。不斷進步的物理模擬和綜合盆地數(shù)值模型已可很好地定量描述沉積盆地中各種地質現(xiàn)象隨盆地的形成和發(fā)展所發(fā)生的演化過程,有機地將地下應力場、地溫場、流體壓力場耦合在一起,并盡可能地應用各種物理場的基本方程描述各個過程的發(fā)生和演化。盆地模型中的定量研究不僅僅指模擬計算,還包括各種地質數(shù)據(jù)的處理、成圖及綜合分析等各種成藏動力學分析內容的數(shù)字化、信息化和可視化。因而盆地模型還可作為一種重要工具,應用于系統(tǒng)分析基本地質現(xiàn)象(如盆地分析、物理場分析、構造幕次分析、成礦過程分析等等)、正確認識和選擇地質參數(shù)等。4從盆地流體動力學角度研究油氣成藏過程,更加注重定量由上述分析不難得出這樣的結論:目前我們在油氣成藏研究中所做的,或者說能夠做的,應該是“油氣成藏的動力學研究”,而不是建立“成藏動力學學科”。油氣成藏動力學研究應該是對油氣成藏過程和機理進行定量研究的思想和方法,是含油氣系統(tǒng)理論和方法在中國特殊的疊合盆地應用和研究基礎上的發(fā)展,是石油地質學研究思想和方法隨整個科學技術的進步和地質科學的發(fā)展而呈現(xiàn)出的必然的發(fā)展趨勢。因盆地地質環(huán)境的不同,成藏動力學的研究在中國和西方國家的表現(xiàn)形式有所不同,中國復雜的疊合盆地背景要求成藏動力學研究更加注重油氣成藏的機理和過程,更加注重定量的分析。作為流體,油氣的流動性決定了其在隨時間而變的儲集層孔滲構架中的運聚過程是最終成藏的關鍵。成藏動力學研究雖然涉及石油地質學的全部內容,但應充分尊重和利用石油地質學已取得的研究成果和認識,其本身不承擔太多的研究任務;應該緊緊抓住油氣的流動性特征,從盆地流體動力學角度分析油氣運移、聚集、形成油氣藏并在經(jīng)歷了后期的構造變動后最終仍能保存下來的地質動力學背景和條件,認識油氣成藏的機理,提出方便實用的方法和技術。至此,我們可以給出成藏動力學研究的完整概念:油氣成藏動力學研究應該以一期油氣成藏過程中從油氣源到油氣藏的統(tǒng)一動力環(huán)境系統(tǒng)為單元,定量研究油氣供源、運移、聚集的機理、控制因素和動力學過程。定量的研究才能解決成藏過程中的動力學問題,才能將不同的成藏因素和過程有機地聯(lián)系在一起。為能夠在復雜多變的含油氣盆地內實現(xiàn)定量分析,成藏動力學的定量研究只能注重單一的成藏過程,即以油氣成藏期次為依據(jù),在時間和空間上劃分出油氣運聚成藏的單元。統(tǒng)一動力環(huán)境系統(tǒng)既是研究的范圍和條件,也是劃分成藏單元、確定成藏系統(tǒng)的依據(jù)。一個油氣成藏流體動力系統(tǒng)是由固體格架和其中的流體(油、氣、水)組成的一個統(tǒng)一整體,它具有特定的功能和相對穩(wěn)定的邊界,其中的流體構成一個流動單元,受控于統(tǒng)一的壓力系統(tǒng)。在油氣成藏動力學研究的過程中,對供源的考慮已大大突破由烴源巖生烴、排烴的局限,包括了烴源巖生烴/排烴、原先油氣藏的溢出/破壞、再次生烴、他源供烴等種種可能。這樣做的目的主要是可以保證以運移成藏的時間段作為劃分成藏期次的基本根據(jù)。因而,舊成藏系統(tǒng)中油氣藏的保存條件可以作為新系統(tǒng)中的供源過程來研究。5以油氣運聚和為中心的綜合定量研究成藏動力學研究就是在某一特定的地質單元內,在確定的某一期油氣運聚過程所對應的流體輸導體系發(fā)育的格架下,通過對溫度、壓力(勢)、應力、含烴流體等各種物理、化學場的綜合定量研究,定量分析油氣生、排、運、聚乃至成藏的全過程。其目的是由油氣成藏的動力學機理出發(fā),進行區(qū)帶和勘探目標的評價,并形成一套可操作的工作方法。但作為石油地質學研究發(fā)展的一個階段,且生烴動力學的研究和認識已頗為完善的情況下,成藏動力學研究中的主體應該是與油氣運聚散有關的動力學過程,而其它的部分則直接利用傳統(tǒng)的石油地質條件分析和含油氣系統(tǒng)研究的成果。因而,成藏動力學研究應該關注以下4個方面的內容。5.1盆地動力學研究任何油氣成藏都是在盆地演化的地質歷史過程中進行和完成的,盆地每一階段的演化都對前期的盆地進行不同程度的改造。特別對于中國含油氣盆地,上新世以來遭受了十分強烈的板塊間的構造作用,產(chǎn)生了十分劇烈的形變和盆地改造。油氣成藏動力學研究直接采用其它學科關于盆地的形成、充填、形變等的結果,而將主要注意力放在盆地動力學演化過程中的背景物理場的定量分析,研究和總結盆地演化過程中所經(jīng)歷的各種地質事件,研究盆地內的溫度場、流體壓力場、應力場和巖石應變特征、化學場(水—巖作用、礦物轉化、有機質分解……)的演化過程及其相互關系,恢復各期次油氣成藏時的盆地形態(tài)及動力場特征。20世紀80年代以來發(fā)展起來的盆地分析和盆地模擬技術為定量分析和描述盆地的演化過程,再現(xiàn)各個時期不同層序的埋藏特征及層面起伏狀態(tài)提供了可能,同時盆地模擬方法可以耦合地給出盆地內不同時代的地溫場和壓力場特征,進而展示出盆地內烴源巖的熱演化和油氣生成過程、不同地層面在不同時間的流體勢等。5.2不同油氣成藏期次和范圍的確定進行成藏單元劃分的目的是要研究一個有限的時空單元內油氣成藏時的流體動力學特征。為減少研究工作量,只對曾經(jīng)發(fā)生過油氣成藏的單元進行研究。因而必須首先確定盆地內已發(fā)現(xiàn)的油氣及與可能的烴源巖之間的關系,確定不同區(qū)塊的主要的油氣成藏期次和范圍;然后由獲得的盆地壓力場結果,根據(jù)輸導層分布的情況劃分出成藏單元,由溫度場演化過程則可以確定大多數(shù)油氣成藏單元內油源的位置和范圍。5.2.1主要油氣運聚方向的定量分析采用可靠的生物標記,對已發(fā)現(xiàn)的油氣聚集及油氣顯示進行油(氣)源對比、油油(氣氣)對比工作,確定不同區(qū)帶已發(fā)現(xiàn)油氣間的相互關系,進行主要油氣運聚方向的定量分析。5.2.2藏時間的確定利用各種方法,確定主要油氣藏的成藏時間,對比其與主要排烴期、圈閉形成期及儲層物性變化間的關系。5.2.3研究流體系統(tǒng)分析研究區(qū)現(xiàn)今壓力場和流體化學特征,劃分流體系統(tǒng),查明各流體系統(tǒng)的基本特點,認識流體系統(tǒng)相互作用范圍、特征和演化規(guī)律,探討研究區(qū)古流體系統(tǒng)和流體勢場。5.2.4油氣成藏系統(tǒng)分析利用盆地模擬分析所獲得的主要輸導層系的流體勢特征,劃分出主要運聚成藏期的油氣成藏系統(tǒng)、分析各系統(tǒng)內部的源—藏關系,確定油氣運聚單元的構成及范圍。5.3裂及不整合面相互交織近年來的研究表明,油氣運移是在一個由輸導層、斷裂及不整合面相互交織構成的復雜的立體輸導系統(tǒng)內,沿某些運移路徑發(fā)生的地質過程,處在油氣優(yōu)勢運移路徑附近的有效圈閉才有可能聚集油氣,形成油氣藏。5.3.1輸導層系特征分析主要砂體輸導層系的空間分布及其沉積環(huán)境,重點研究輸導砂體成巖特征和成巖序列的空間分布及與油氣充注間的關系,認識主要運移成藏期輸導層系的連通性和物性特征,分析輸導層系的非均勻性及其與油氣顯示間的關系。5.3.2不整合面上層析分離研究主要不整合面的規(guī)模、與上下輸導層間的截切和超覆關系,分析不同區(qū)塊不整合面上下地層內的輸導體系及其組合方式,確定輸導體在油氣運聚過程中所起的作用。5.3.3斷裂帶的時間、期次和強度分析控烴斷層的產(chǎn)狀、相互切割關系及兩側地層間的組合關系,確定斷裂活動的時間、期次和強度;研究斷層與不同輸導層系間的截切和對接關系,從流體動力學角度研究斷裂活動過程中斷裂啟閉性的評價方法,確定主要影響因素。5.3.4輸導體系動力學模型的建立研究區(qū)主要成藏系統(tǒng)內輸導體的幾何構成及其連通性分析,研究油氣在研究區(qū)不同類型輸導體內運移、聚集的動力學表達方式,確定可以較好地描述不同類型輸導體并表述其間關系的參數(shù)體系,建立復合輸導體系的數(shù)字模型。5.3.5輸導格架模型的建立和評價根據(jù)研究區(qū)烴源巖分布及成熟過程,建立輸導格架模型,利用可以定量