《工学模拟讲稿ch》ppt课件.ppt

第二章 地史模型,地史模型的功能是描述和重建含油气盆地的沉积发育史和构造史其作用在于为热史、生烃史、排烃史、运聚史提供时空模拟范围油气藏的形成是发生在地史过程中的事件，在沉积物的埋藏、成岩过程中，其密度、孔隙度、厚度、结构均发生变化，这种变化对油气藏的形成是至关重要的地史模型是盆地模拟的基础模型其精度直接影响到其余的四个模型：热史、生烃史、排烃史、运聚史模型，并为它们提供有关参数地史模拟过程中，应考虑尽可能多的地质事件，如沉积压实、超压、剥蚀、沉积间断、断层等地史模型目前的主要应用是对盆地沉积发育史的模拟，对包含断层发育史在内的构造发育史的模拟难度较大，目前尚不成熟本章主要讨论盆地沉积发育史的模拟第一节 概念模型,盆地的沉积埋藏史主要是基于沉积地层的压实原理实现的根据沉积压实原理，假设随着埋藏深度的增加，只有孔隙体积变小，而地层的“骨架”厚度不变，符合这一原理的主要是砂、泥（页）岩类，而碳酸盐岩、塑性流动的膏盐层、火山岩等因成岩作用机理不同，在模拟时要特别对待因此，相应数学模型主要是针对碎屑岩类发育的盆地而建立的其概念模型的建立主要从以下几个方面考虑：,（1） 沉积地层厚度及其变化，既反映了上覆沉积对下伏地层的压力效应，又反映了不同岩石因受压实程度不同所引起的孔隙度非均匀变化，因此根据压实原理，用现今地层厚度和孔隙度可以恢复地层原始厚度；,（2）地层被抬升、剥蚀是盆地发展过程中重要事件，抬升时间和剥蚀量则是恢复盆地发展演化史的两个重要参数，用适当的方法确定这两个地质变量，并将其与原始地层厚度一起考虑进行地史模拟，可以恢复盆地的沉积埋藏史和古构造发展史；,,（3） 多种原因形成的地层欠压实作用（超压带的存在）是较为普遍的地质现象，此时因孔隙度的变化不再遵循Athy定律，恢复的地层厚度与真正的原始厚度有差异，概念模型必须考虑这一因素。

另外，构造变形和断裂作用、次生孔隙等因素，都为沉积埋藏史和古构造史的恢复增加了许多难度，目前的模拟方法仍难以处理基于沉积压实原理上的地史模型分为正演法模型和反演法模型第二节 正演法模型,建立地史模型的目的是模拟研究盆地的沉积发育史和构造史，由于构造史模拟的不成熟性，一般只模拟沉积发育史，即模拟研究盆地或模拟地区内所沉积的各套地层的厚度变化历史要达到这个目的，首先要解决三个问题：,1、求解各时期地层孔隙流体压力，即地层压力史 2、求解各时期地层孔隙度，即地层孔隙度史 3、求解各时期地层厚度，即地层厚度史基于上述问题，地史模型由以下三个子 模型构成：,压力史模型,孔隙度史模型,地层厚度恢复模型,,一、压力史模型,地层由最初的沉积厚度演变到今天的沉积厚度，其中经过了一个压实、即孔隙度减小的过程在此认为：孔隙度的减小，主要依赖于地层上覆沉积荷重和孔隙流体压力的变化当知道地层所处的深度和上覆岩石的平均密度后，上覆沉积荷重不难由下列公式求出： S=ρbw ·g ·z S～上覆沉积荷重；ρbw～上覆沉积物平均密度； g～重力加速度 ； z ～埋深 另一个关键问题是如何求取地层的孔隙流体压力在静水压力条件下的正常压实地层，孔隙流体压力P可由下列公式求得(据真炳钦次，1968)： 其中：Pn ～ 孔隙流体压力; ρw～孔隙流体密度; g～重力加速度; z ～埋深。

在盆地模拟过程中，如果从下到上的所有地层中均未出现欠压实现象，即均为静水压力条件下的正常压实地层，就可用上式求解任何深度的孔隙流体压力，压力史模型的问题就解决了但在实际的沉积地层中，往往在下部地层中出现欠压实现象，即孔隙度不但不随深度的增大而减小，反而有增大的趋势（如图）这时对孔隙流体压力P 的求解，必须考虑超压有限压实的孔—深曲线,,或 P～深度Z处的孔隙流体压力(含超压)； Ze ～正常压实趋势上某一较浅深度（孔隙度等于深Z处）； ρw～孔隙流体平均密度；ρb w～沉积物平均密度； g～重力加速度；γ w ～孔隙流体平均密度(磅/英寸2·英尺)； γb w～沉积物平均密度(磅/英寸2·英尺) Magara.K欠压实带孔隙流体压力方程,,,Magara.K（真柄钦次）公式推导： 根据特察模型知： S=σ+P S～上覆沉积荷重 σ～作用在岩石上的有效应力， (颗粒间的支撑力) P～孔隙流体压力 在深Ze 处 ：,从而有：,在深Z处：,,由于深Ze 处和深Z处的孔隙度相等，所以认为这时作用在这两个深度岩石颗粒间的支撑力也是相同的 即：,即：,此即Magara.K（真柄钦次）公式用该公式即可求出在任一地质时间和深度的孔隙流体压力，但该公式实际应用的效果并不理想，甚至往往出现很大的误差，这主要是因为异常流体压力的起因并不象上述方程所反映的那样，仅仅是由于上覆沉积物的不断加厚所至所致。

另外诸如岩石渗透率、水热增压等重要因素均未考虑在内这一点我们可以从特察模型中可以看出 由特察模型：S=σ+P ，岩石在从Ze 沉积到Z 的过程中，岩石骨架的有效应力σ不变，孔隙流体压力的变化完全是由于上覆 沉积荷重S的增加，这样考虑问题显然不够全面由于真柄公式忽略了造成异常压力的其他主要因素，故所计算出的流体压力值往往小于实测值一个解决的办法是在其公式后加一修正因子α ，即：,即：,其中α 的值可根据现今的实测资料与原公式的对比修正计算得到虽如此，上述公式的计算结果仍不十分理想，因此，有必要寻求求解欠压实带孔隙流体压力的更好方法欠压实带孔隙流体压力超压方程,胜利油田在Welter模型的基础上，推导了一个较为实用的求解欠压实带孔隙流体压力三维超压方程 ：,,式中： ρw ～孔隙流体密度 ； μ ～流体粘度； K ～岩石渗透率 ； Pa ～孔隙流体超压； Φ ～岩石孔隙度 ； α ～岩石压缩系数； β ～流体压缩系数； S ～上覆沉积荷重； Pn ～上覆静水柱压力； t ～时间 （推导略） P=Pn+Pa 完整的压力史模型为： 超压方程求Pa,,,二、孔隙度史模型,在推导上述超压方程的过程中，推导出： （参数含义同上） 即是地史模型中使用的孔隙度史模型。

从上式可以看出，地层孔隙度随时间的变化，完全依赖于上覆沉积荷重S 随时间的变化以及孔隙流体压力随时间的变化 若设地层从时间ti 演化到ti+1，地层的孔隙度从Φ(ti )变化到Φ(ti +1)，上覆沉积荷重S 从S(ti )变化到S(ti +1)，P 从P(ti )变化到P(ti +1) ，根据上述孔隙度史模型，有： 即：,,在实际地史模拟过程中，是根据上式依次求出地层孔隙度的变化历史若设地层经历的地质时刻为：t0 、t1、t2、…tn ，求解孔隙度史的过程如下： 当t=t0时 (1) 求地层的孔隙流体压力P(t0) (2) 求地层的上覆沉积荷重S(t0) (3) 确定地层的原始孔隙度Φ(t0),当t=t1时 (1) 由压力史模型，求出地层的孔隙流体压力P(t1) (2) 求地层的上覆沉积荷重S(t1) (3) 由上式求地层的孔隙度Φ(t1) 当t=t2时 (1) 由压力史模型，求出地层的孔隙流体压力P(t2) (2) 求地层的上覆沉积荷重S(t2) (3) 由上式求地层的孔隙度Φ(t2) … …,… … 依次类推， 当t=tn 时， (1) 由压力史模型，求出地层的孔隙流体压力P(tn ) (2) 求地层的上覆沉积荷重S(tn ) (3) 由上式求地层的孔隙度Φ(tn ) 最终即可求得地层在时刻t0 、t1、t2、…tn 时的孔隙度Φ(t0)、Φ(t1)、Φ(t2)、…Φ(tn )，即求出了孔隙度的变化历史。

三、地层厚度恢复模型,基本模型： 式中：H0 ～地层的原始厚度; Hp ～地层的现今厚度(已知) ; Φ0 ～地层的原始孔隙度(已知) ; Φp ～地层的现今孔隙度(已知) 若根据孔隙度史模型求出了地层在ti 时刻的孔隙度Φ(ti ) , i=1,2, …n，则该时刻的地层厚度H(ti )可由下式求出： i=1,2,…n 据此可求出地层在时刻t0 、t1、t2、…tn 时的厚度H(t0)、H(t1)、H(t2)、…H(tn )，即求出了厚度的变化历史地层的厚度史求出之后，即达到了地史模拟的第一个目的当对在一个沉积盆地或模拟地区内均匀分布的许多人工井点进行这样的模拟后，就不难从得到的地层的厚度变化历史去研究整个盆地或模拟地区的沉积发育史 根据地层的厚度历史，我们可以绘制盆地演化宝塔图(见图)盆地演化宝塔略图,,,也可以绘制某剖面的地层发育剖面图：,t1 (第一层沉积末期),t2 (第二层沉积末期),,t3 (第三层沉积末期),t4 (第四层沉积末期),四、超压方程适用范围,超压方程的目的是为了求取地层的孔隙流体超压，因此，它只能使用于地层超压存在的区域对盆地中的所有沉积物而言，在垂向大致上可以划分为三个区域（如图所示）。

最上面是水域，中间是正常压实区域，该区域沉积岩内的孔隙流体压力为静水柱压力，孔隙流体超压Pa =0最下部为欠压实区域，随沉积物的不断加厚，这个层的上边界随之向上移动，超压方程仅仅适用于这个区域超压方程的适用范围示意图,五、时间、空间步长划分及超压史模拟过程(一维),一维模拟情况下，需要确定时间和空间（垂向）模拟计算步长步长的确定视盆地的具体情况、模拟的精度要求和计算机资源的不同而定时间和空间步长取得越小，计算精度越高，所用机时越长一般，常选取的时间步长有10、20、50万年，垂向上的空间步长一般取10～50m在选定时间步长内的地层沉积厚度一般大于垂向空间步长在选定时间步长和空间步长基础上，超压模拟过程大致如下：,1、取第一个时间步长Δt ，该阶段内沉积有一定厚度的地层，根据确定的垂向空间步长Δz ，将地层在垂向上从下到上划分为若干小段（假设5小段），这样在垂向上共形成了若干节点（6个节点），求解每个节点上的超压Pai，i=1,2,…6若节点 i 处于正常压实带，取Pai=02、取第二个时间步长Δt ，该阶段内又沉积有一定厚度的地层，根据空间步长Δz ，将新沉积的地层在垂向上从下到上划分为若干小段(假设4小段)，这样在垂向上增加了若干节点(5个节点)，求解已有的每个节点上的超压Pai，i=1,2,…11。

若节点 i 处于正常压实带，取Pai=03、取第三个时间步长Δt ，该阶段内又沉积有一定厚度的地层，根据空间步长Δz ，将新沉积的地层在垂向上从下到上划分为若干小段(假设3小段)，在垂向上又增加了若干节点(4个节点)，求解所有每个节点上的超压Pai，i=1,2,…15若节点i处于正常压实带，取Pai=0 … … …,4、取最后一个时间步长Δt ，该阶段内又沉积有一定厚度的地层，根据空间步长Δz ，将新沉积的地层在垂向上从下到上划分为若干小段(假设5小段)，在垂向上又增加了若干节点(6个节点)，求解所有每个节点上的超压Pai，i=1,2,…n若节点i处于正常压实带，取Pai=0其中n为节点的总数超压史求解完毕 在模拟过程中，正常压实带和欠压实带的分界线的确定方法： 在模拟之前先确定盆地出现欠压实的层位，由此可以确定平面上每个模拟点欠压实出现的深度，当节点处于该深度之下时，认为该节点处于欠压实带，否则认为该节点处于正常压实带求解超压方程使用有限差分方法,六、超压方程的数值解法 (一维),求解超压方程一般使用有限差分等数值解法，由于二维和三维模拟在解方程时方法繁琐，而且就一般的微机而言，进行多维模拟的能力也不够。

因此，仅就一维超压方程讨论其有限差分数值解法一维超压方程可表示为：,超压方程的边界条件可考虑为： 考虑盆地的基底为致密岩石组成的不渗透地层， 故下边界条件为： (Z = 0 ) 上边界为正常压实和欠压实的分界线，故上边界 条件为： (Z = L),,因此，一维超压方程的定。