TSM盆地模拟资源评价系统
(中国石化无锡实验地质研究所，江苏无锡214151)
TSM盆地模拟是在3T(环境)-4S(作用)-4M(响应)盆地系统思想指导下的数值模拟，按照埋藏、加热、生烃和运聚四个历史系统整合从盆地到圈闭的系统网络。在苏北盆地的应用中，再现了二维运动学断层-断陷原型叠加的埋藏史，并结合不同时期的构造-热系统变化，拟合断陷叠加热场的变化过程，为盆地提供了油气P(压力)、V(体积)、T(温度)动态变化的原型控制边界条件，使系统合理地进行生排烃，直至。通过对已知油气田的拟合，预测出未知的可能油气聚集带的位置，并在后来的勘探中得到验证。应用表明，TSM模拟体现了含油气盆地系统化、动态化和定量化的研究方向，强调地质概念模型的研究和不同构造-热系统下原型盆地的并置叠加关系分析是模拟实施的重要前提。模拟方法具有检验地质概念模型和揭示盆地演化过程的功能。最终目的是预测油气资源的数量和分布，并随着勘探进程进行滚动评价，达到指导勘探的目的。
1 TSM盆地模拟研究的指导思想
盆地研究是一项复杂的系统工程。为了认识盆地系统中各种事物的内在联系，盆地研究正朝着系统化、定量化和动态化三个方向迅速发展。朱霞(1982)在论文《中国含油气盆地形成发展机制及其对油气生成、运移和聚集的控制》[1]中提出了盆地研究的TSM工作程序。程序显示，全球构造三大要素(3T)控制着不同地质历史阶段盆地的形成，不同的机制产生不同的原型盆地。盆地整体是原型盆地的并置和叠加。由于盆地本身是不同形成演化机制的原型组合，盆地内的四大地质因素(4S)和四大油气响应因素(4M)各有特点。盆地研究的系统性使得盆地研究涉及多门学科，与油气盆地成因相关的各种参数之间形成了一个巨大的链式网络，几乎任何一个因素的变化都会影响系统网络的变化。在这个网络中，各要素按照已知地质事实形成的定量模型关系进行整合，即在整个网络匹配中相互联系和锁定，从而揭示油气聚集效应。因此，要求在实时地质历史恢复和勘探检验过程中，对油气的位置和数量进行合理的近似或反复预测，以提高勘探命中率。正如朱霞(1985)所指出的，对这样一个系统的研究应该按照理论建模——案例验证——动态模拟的程序进行。因此，TSM程序将盆地研究的系统性和动态性有机地结合起来，为盆地的定量分析和模拟提供了可行的指导思想。
2模拟的概念和基本方法
盆地模拟是盆地综合研究的一种极其重要的方法。所谓模拟，就是一种仿真技术。动态模拟是指可以模拟研究对象随时间的变化；它反映了盆地系统的动态变化，也意味着模拟结果是动态的，对盆地的认识可以随着勘探程度的提高而不断修正；也意味着模拟方法是动态的，新的勘探成果检验了模拟预测，提供了新的信息，可用于重新模拟、重复预测、持续保真和持续指导实践。而确定性模拟方法需要严格的逻辑关系或函数关系来描述对象，因此突出了物理化学定理与地质原理或规律的结合，而不是基于说明性或统计性分析的定量预测。即试图用物理或化学的数理逻辑方法表达地质过程(S)与油气响应(M)之间的关系，动态模拟油气的数量及其赋存位置，进而全面反映油气形成演化过程的本质特征，成为解决动力系统研究的重要手段。
长期以来，我们所知道的油气成藏的控制因素基本上都是静态的地质系统。用静态的地质要素进行构造和解释很可能是任意的[2](Magara，1986)。所以，仿真，尤其是动态系统仿真的价值，不应该用“是”或“不是”这样的绝对化术语来评价，而应该用“合理”或“不合理”来评价。因此，了解地质系统仍然是提高模拟和预测可行性的关键。一旦预测能力扩大，勘探风险就降低了。
盆地模拟一般要经过地质概念模型、数学模型和计算机实现。所谓概念模型，就是人们头脑中形成的地质概念。通过长期的地质研究，对地质问题的认识从描述性提高到规律性，从定性提高到定量，从而形成了可以转化为数学模型的地质概念模型。大量的地质观察和研究实际上就是为了得到这样的认识来指导石油勘探的生产实践。也就是说，只有地质研究深入到一定程度，才能进行定量的盆地模拟研究。数学模型是用数学公式表达地质规律，将地质事实抽象为数据，将地质概念转化为数学物理概念，然后通过解决数据格式、计算方法、程序组织、输入输出等问题，实现全面的计算机实现。该仿真系统主要由数据库子系统、仿真计算子系统、显示和绘图子系统组成。数据库子系统包括原始数据库、参数数据库和结果数据库；仿真计算子系统包含各种模型仿真方法的软件库，计算时可根据实际情况灵活接入，串联组合成合适的系统；显示和绘图子系统主要用于显示输出数据、图形和报告。它是一个服务子系统，主要包括一些专门开发的和通用的显示软件包。
3盆地动力系统仿真模型
3.1沉降盆地演化模拟通用模型
盆地模拟系统是地质模型和数学模型的最终综合表达。油气盆地的数学动力学模型涉及广泛的地质模型，包括盆地形成和发展的大地构造环境模型、盆地沉降和沉积-构造作用模型、油气生成和成藏条件模型以及这些模型之间逻辑关系的编制。要实现这种庞大而复杂的油气盆地模拟，需要一个可用于模拟的、能表示各种原型盆地的地质模型库，并且库中的地质模型随着油气盆地研究的深入而不断补充和更新。因此，根据前面的研究工作，我们提出并建立了TSM盆地勘探评价系统动态模拟模型库(图1)，需要在今后的研究工作中进一步发展和丰富。
图1 TSM盆地动态模拟模型框图
(框外半圆弧框表示主要计算参数或函数关系)
从模型框图可以看出，从盆地的地质过程可以建立不同原型盆地的沉降模型，恢复埋藏史和热史，以反映盆地发生发展的地质过程，指示任意时刻的地层温度和压力以及影响油气条件的相关因素。它们与描述油气生成(生烃史)、运移和圈闭(运聚史)的过程“联系”起来，可以建立地质过程与油气响应之间的一系列关系，从而达到预测油气的目的。
3.2沉降盆地地质过程模拟模型
盆地的“4S”模拟是整个动力系统的重要组成部分，它揭示了含油气盆地在一定应力环境下的沉降方式和沉积特征，为原型盆地控制油气P(压力)、V(体积)、T(温度)的动态变化提供了边界条件，是研究生研究生烃史、排烃史、运聚史等的前提。
大量的盆地分析结果表明，任何一个盆地原型都受当时的构造-热系统控制，在其形成的应力场作用下，形成一定规模的主断裂系统(拉张和挤压)，控制变形，或基底挠曲(凹陷)，使盆地沉降，形成一定的沉降空间，并伴有沉积和地层变形。从盆地原型地质过程所反映的埋深、压实、构造等特征，可以看出一个原型盆地的风貌。不同地区有不同的构造-热系统，因此有不同的盆地样式和不同的地质过程模拟系统。朱霞[3](1986)和张玉昌[4](1997)认为从单一动力机制下形成的原型盆地来划分油气盆地具有全球可比性。因此，我们重点研究和建立单一动力机制下的沉降过程地质模型，如图1所列的伸展断陷、均匀伸展、挤压褶皱等模型。根据盆地为原型盆地的并置叠加概念，依靠研究区特定的地质概念模型，模拟了盆地的沉降史、沉积史和侵蚀史。在“七五”、“八五”、“九五”期间，我们利用这一思路，分别在盐城凹陷、溱潼凹陷、曲塘鲍莉地区、巴丹吉林盆地马木苏凹陷和松辽盆地长岭凹陷进行了一维和二维模拟。
3.3沉降盆地油气响应模拟模型
沉降盆地油气生成、运移和聚集的演化过程是石油地质研究的难点。经过近二十年的努力，从生烃到运移的发展也从定性研究转向了定量开发。特别是近年来，国内外许多学者通过对油气成藏机理和成藏组合的大量研究，提出了大量的模式(图1)。
目前，我们模型的基本概念考虑到了近年来的发展。由于模型与盆地的实际演化存在较大差异，根本问题在于地质模型提供的参数的不充分性和准确性。问题的解决在于建立几个可以很好量化的基本模型，然后根据地质概念模型，用不同的假设进行计算、拟合和对比，通过勘探和检验获得知识的反馈，从而推动“滚动”模拟拟合，最终得到更合理的生烃史、排烃史和运聚史模拟结果，为油气评价和勘探服务。
模拟技术在4号盆地油气资源评价中的应用
由于现代石油地质学的研究具有系统性、动态性和定量化的特点，计算机成为重要的辅助工具。其中引人注目的研究方法是利用计算机动态模拟地质过程，从而检验地质概念的准确性，揭示地质历史过程与石油生成、运移和聚集事件的关系，最终定量确定油气资源量及其位置，从而达到预测未知和评价油气的目的。根据建立的模型体系，我们在苏北、巴丹吉林、东海和松辽盆地进行了一系列应用，取得了一些认识。
4.1测试地质概念模型
油气盆地模拟结果可以反映盆地的沉降、生油和运聚，可以检验从油气勘探中获得的知识。例如，多年的勘探工作表明，溱潼凹陷是在白垩纪坳陷的基础上形成的伸展断陷，经历了泰州组-阜宁组、戴南组-三垛组、盐城组-东台组的断陷。此外，该区的戴南运动和三叠运动造成了两次剥蚀。沉降史模拟结果表明，溱潼凹陷新生代盆地经历了断陷-断陷的地质演化过程，各期不平衡张张量不仅反映了两条断层的存在，而且与勘探揭示的张陷规模和沉积环境相吻合。同样，在另一种挤压环境下形成的构造剖面，用平衡剖面来检验地质解释起到了合理的限制，使得地质认识(模型)更接近实际。
4.2揭示盆地演化过程
目前油气盆地勘探和实际观测得到的数据都是静态数据，反映的是当前地质系统的静态情况。然而，油气生成和运移的过程控制是一个动态和时变的地质系统要素，但它们的直接证据已不存在。因此，其历史演变的数据只能通过盆地模拟来揭示。根据物理化学规律模拟地质演化过程，可以避免任意解释，更趋于合理。苏北、巴丹吉林等地区的模拟工作，动态揭示了埋藏史、热史、生烃史和运聚史的演化过程，并通过埋藏史演化图、古地温演化图、生烃成熟度图、生烃等值线图、排烃量和位置图、各时期各层的水头等值线图、油气运移趋势图等大量图件表达出来，使人们动态直观地了解盆地的四维空间。
图2盐城凹陷运聚史
【张玉昌等简化(1989)】(a)和(b)是阜宁组三段(Ef3)沉积于盐城组(Ny)时和现在的油气运移聚集；(c)和(d)分别是阜宁组一段(Ef1)储层沉积于盐城组(Ny)和现今时的油气运移和聚集；(e)、(f)、(g)为戴南组泰州组储层。
沉积时期和现今盐城组油气运聚。
1.碳氢化合物接收器位置；2.可能的聚集区域；3.二次迁移的方向；4.可能的二次迁移方向；5.等水头线
4.3油气资源预测
模拟结果显示了盆地沉降中心的变化，不同烃源层的生烃期、高峰期和排烃期，较好地反映了与构造形成期的有机匹配关系，从而对油气运聚方向、可能的圈闭位置和类型提出了预测意见(图2、图3)。当然，所有的模拟结果都会在探索中得到检验。随着模型的完善和参数的增加，模拟可以实现“滚动”评价，不断指导勘探和生产。
溱潼凹陷古近系阜宁组三段油气预测示意图。
(徐旭辉等，1997)[5]
1.初级正断层；2.次级正断层；3.第三纪正断层；4.等深线/米；5.油气可能的运移方向；6.初级油气预测区；7.油气预测的二级领域；8.22Ma高集油区(> 0.12m)；9.22毫安高8头面积(> 0.6米)
参考
朱霞。中国含油气盆地形成发展机制及其对油气生成、运移和聚集的控制作用[A]。论板块构造与油气盆地分析[C].上海:同济大学出版社，1982。
[2]马加拉，金吉。钋圈闭的地质模型[M].爱思唯尔应用科学出版社，1986。
朱霞。论中国含油气盆地的构造[M]。北京:石油工业出版社，1986。
张雨畅。中国含油气盆地原型分析[M].南京:南京大学出版社，1997。
徐旭辉，蒋兴阁，朱建辉，等。TSM盆地模拟-在苏北溱潼凹陷的应用[M]。北京:地质出版社，1997。
[6]马加拉，金吉。压实和流体迁移[M]。爱思唯尔应用科学出版社，1987。