在過去漫長(zhǎng)的26年里，吳沖龍教授及其科研團(tuán)隊(duì)圍繞三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬原理、方法與技術(shù)，進(jìn)行了艱難而卓有成效的探索。
吳沖龍教授及其科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的具有開拓性和原創(chuàng)性的相關(guān)理論方法、技術(shù)和軟件成果，已經(jīng)在珠江口、塔里木、四川、華北、二連和百色等盆地的數(shù)十個(gè)凹陷中進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用，在解決這些地區(qū)油氣成藏與資源評(píng)價(jià)重大難題的同時(shí)，不斷地得到改進(jìn)、優(yōu)化和升級(jí)。《油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬原理、方法與技術(shù)》是上述理論探索研究與技術(shù)研發(fā)工作的系統(tǒng)總結(jié)。我相信，該專著的出版，將會(huì)有力推進(jìn)油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬理論體系、方法論體系和技術(shù)體系研究進(jìn)入新階段，在我國(guó)油氣行業(yè)數(shù)字油田建設(shè)和油氣勘查數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中起到重要的示范與指導(dǎo)作用。
康玉柱
中國(guó)工程院院士
2023年5月18日
油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬或稱油氣系統(tǒng)模擬作為一項(xiàng)綜合性新技術(shù)，是對(duì)盆地分析、盆地模擬、油氣資源定量評(píng)價(jià)和油氣系統(tǒng)分析的繼承和發(fā)展，對(duì)于深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)、降低油氣勘探風(fēng)險(xiǎn)、提高勘探效益有重大意義，因此引起了學(xué)者廣泛的重視。
該項(xiàng)技術(shù)早期發(fā)展的雛形是盆地模擬技術(shù)，在近幾十年來發(fā)展極為迅速。自德國(guó)尤利希公司有機(jī)地球化學(xué)研究所于1978 年建立起世界上第一個(gè)一維盆地模擬系統(tǒng)以來，國(guó)內(nèi)外許多大的石油公司和研究機(jī)構(gòu)都相繼開發(fā)出規(guī)模不同、特色各異的一維或二維盆地模擬系統(tǒng)。
盆地模擬
所謂盆地模擬(basin modeling)，是從盆地演化和油氣成藏機(jī)理出發(fā)，通過對(duì)盆地地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)過程的數(shù)字化和程序化，運(yùn)用計(jì)算機(jī)定量地再現(xiàn)油氣盆地的形成和演化、烴類的生成和排放的一項(xiàng)數(shù)字仿真技術(shù)。換言之，盆地模擬技術(shù)是針對(duì)含油氣盆地整體演化歷史的一種快速、定量、綜合的數(shù)字化和自動(dòng)化分析手段。
盆地模擬系統(tǒng)的應(yīng)用，使石油地質(zhì)學(xué)家們看到了定量揭示盆地演化和油氣成藏規(guī)律的希望，在國(guó)內(nèi)外的油氣勘探和研究中發(fā)揮了重要作用，為油氣資源評(píng)價(jià)作出了貢獻(xiàn)。盆地模擬技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用因此得到了迅速發(fā)展，然而，也暴露出一些發(fā)人深思又亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在：
不切實(shí)際地期盼著僅用少量簡(jiǎn)單的“關(guān)鍵參數(shù)”構(gòu)建出萬能的模擬模型和軟件，去面對(duì)和描述復(fù)雜的油氣盆地，而未能充分考慮并挖掘源自各種勘查技術(shù)手段的數(shù)據(jù)本身所隱含的信息；
地質(zhì)實(shí)體模型過于簡(jiǎn)化，缺乏從系統(tǒng)論的角度來綜合考察盆地(或坳陷)中油氣生—排—運(yùn)—聚—散各子系統(tǒng)的控制與反饋控制關(guān)系，只考慮地質(zhì)作用子系統(tǒng)之間的控制作用，而未考慮反饋控制作用；
用于模擬的概念模型過于抽象，未充分顧及具體盆地形成演化的實(shí)際情況，尤其缺乏從原型迭合的角度來掌握盆地演化的總體方向及局部逆轉(zhuǎn)情況；
所使用的數(shù)學(xué)模型過于單一，未能充分地考慮油氣生—排—運(yùn)—聚—散的階段特點(diǎn)，尤其是缺乏從非線性的角度來深入考察盆地地質(zhì)作用的復(fù)雜過程及其影響因素等。
大量研究結(jié)果表明，沉積盆地是同沉積的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用、外動(dòng)力地質(zhì)作用和內(nèi)外動(dòng)力聯(lián)合地質(zhì)作用賴以進(jìn)行的獨(dú)立而完整的基本地質(zhì)單元。盆地系統(tǒng)是一個(gè)巨型的復(fù)雜開式系統(tǒng)，從盆地演化的角度看，各種地質(zhì)作用也是它的子系統(tǒng)。而這些內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用子系統(tǒng)，可分解為更低級(jí)的子系統(tǒng)。例如，成藏作用子系統(tǒng)(即油氣系統(tǒng))可分解為生烴作用、排烴作用、運(yùn)烴作用和聚烴作用等次級(jí)子系統(tǒng)。每一個(gè)子系統(tǒng)和次級(jí)子系統(tǒng)都有自己發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和方向，有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且都服從于盆地系統(tǒng)整體演化的總規(guī)律、總方向。由于相鄰子系統(tǒng)及次級(jí)子系統(tǒng)之間都沒有明確邊界，它們相互穿插、相互制約，任一子系統(tǒng)或次級(jí)子系統(tǒng)的狀態(tài)變化，都會(huì)直接或間接影響相鄰子系統(tǒng)的狀態(tài)變化，甚至導(dǎo)致盆地系統(tǒng)的總體變化。因此，在進(jìn)行油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬軟件研發(fā)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將盆地石油天然氣的生—排—運(yùn)—聚—散過程和機(jī)制置放于盆地系統(tǒng)中，整體地、聯(lián)系地、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行考察。從系統(tǒng)論和控制論的角度看，盆地分析的思路可以概括為整體分析、關(guān)聯(lián)分析、反饋分析、動(dòng)態(tài)分析和定量分析。
▲ 油氣系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型
I 和O 分別代表輸入與輸出
資料來源：吳沖龍等(2000)
本書作者認(rèn)為，盆地模擬和油氣系統(tǒng)模擬既不能代替也不能脫離盆地分析和油氣系統(tǒng)分析而單獨(dú)進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)如實(shí)地將盆地分析和油氣系統(tǒng)分析看作一種多層次、多尺度、多目標(biāo)的系統(tǒng)分析與系統(tǒng)評(píng)價(jià)；將盆地模擬和油氣系統(tǒng)模擬看成是盆地分析和油氣系統(tǒng)分析的定量化手段。作為人工系統(tǒng)，盆地模擬軟件系統(tǒng)也應(yīng)有層次結(jié)構(gòu)，油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬軟件系統(tǒng)即油氣系統(tǒng)的模擬軟件系統(tǒng)，是盆地模擬軟件系統(tǒng)的子系統(tǒng)。油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬軟件系統(tǒng)的概念模型，應(yīng)在數(shù)據(jù)-模型聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的一系列盆地分析和油氣系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上通過綜合得到，而不能采用所謂的理論模型來生成；不必刻意追求統(tǒng)一和完整的動(dòng)力學(xué)表達(dá)方式，而應(yīng)當(dāng)特別注重盆地三維空間實(shí)體及其演化歷史的虛擬孿生和系統(tǒng)仿真，將盆地構(gòu)造-地層格架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬與盆地地?zé)釄?chǎng)、流體壓力場(chǎng)及油氣生—排—運(yùn)—聚—散的動(dòng)力學(xué)、非動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)盆地及其油氣系統(tǒng)形成演化的動(dòng)態(tài)模擬。
為了探索解決這些問題的途徑與方法，并給出切實(shí)可行的軟件工具，研究團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)了一系列國(guó)家級(jí)和省部級(jí)科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。經(jīng)過多年的探索性研究和開發(fā)，團(tuán)隊(duì)借鑒大數(shù)據(jù)的理念與方法，將盆地模擬技術(shù)發(fā)展成以盆地定量分析為基礎(chǔ)的綜合性油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系列新的觀念、理論、方法和技術(shù)的創(chuàng)新：
在研發(fā)過程中，把油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬的方向，從單因素的有機(jī)地球化學(xué)模擬轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘁蛩氐呐璧匮莼C合模擬；
把模擬的目標(biāo)，從單目標(biāo)的靜態(tài)生烴潛力評(píng)價(jià)，發(fā)展到了多目標(biāo)的成藏動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)；把模擬的對(duì)象，由二維聯(lián)井剖面模擬轉(zhuǎn)變?yōu)槿S盆地(坳陷)或凹陷(洼陷)整體模擬和系統(tǒng)模擬；
把模擬的內(nèi)容，從傳統(tǒng)的單一地?zé)崾贰⒊练e史、埋藏史、生烴史、排烴史、運(yùn)聚史模擬推進(jìn)到多史結(jié)合模擬和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬；
把模擬的方法，由單純的有模型的第三范式線性數(shù)值仿真轉(zhuǎn)變?yōu)闊o模型與有模型結(jié)合、大數(shù)據(jù)與小數(shù)據(jù)結(jié)合的第四范式非線性仿真。
（a）劉家洼陷斷層面與地層面描述數(shù)據(jù)的可視化
（b）劉家洼陷的現(xiàn)今(Nm+Qp 末期)構(gòu)造-地層格架模型
（c）劉家洼陷各個(gè)地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造-地層格架的演化
▲ 根據(jù)東部某凹陷劉家洼陷斷斷層和地層描述的數(shù)據(jù)文件（a），構(gòu)建了該洼陷現(xiàn)今三維構(gòu)造-地層格架模型(b)，運(yùn)用基于上述原理方法研發(fā)的軟件進(jìn)行四維反演和正演，再現(xiàn)了該洼陷各個(gè)地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造-地層格架的演化序列(c)。
團(tuán)隊(duì)采用的技術(shù)路線是：
將動(dòng)力學(xué)模擬與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬結(jié)合起來，以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬再造油氣生—排—運(yùn)—聚—散過程的物質(zhì)空間；
將經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模擬與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合起來，以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬反映子系統(tǒng)之間的反饋控制關(guān)系和整體的非線性過程；
將數(shù)值模擬與人工智能模擬結(jié)合起來，以人工智能模擬體現(xiàn)地質(zhì)學(xué)家的思想、方法、知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，解決局部過程的非線性問題。
遵循這一技術(shù)路線，研究團(tuán)隊(duì)在研發(fā)過程中，以一系列典型盆地(或凹陷)為例，將傳統(tǒng)的盆地模擬與油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬融為一體，具體地建立盆地(或凹陷)構(gòu)造格架、地層格架和生—運(yùn)—儲(chǔ)—蓋組合的三維虛擬孿生(非動(dòng)力學(xué))模型，以及盆地地?zé)嵫莼陀蜌馍?、排放、運(yùn)移、聚集、散失的三維非動(dòng)力學(xué)與動(dòng)力學(xué)結(jié)合的模型。然后，通過多個(gè)盆地的類比，抽提出相應(yīng)的概念模型和模擬模型。
針對(duì)軟件設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)綜合地運(yùn)用確定性數(shù)學(xué)、隨機(jī)數(shù)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、人工智能、經(jīng)典動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等，來描述所建立的各種實(shí)體模型和概念模型，并且將盆地構(gòu)造格架、地層格架及生—運(yùn)—儲(chǔ)—蓋組合的非動(dòng)力學(xué)模擬，與盆地地?zé)嵫莼坝蜌馍伞⑴欧拧?a class="keyword-search" >運(yùn)移、聚集、散失的動(dòng)力學(xué)模擬耦合起來，把確定性模擬與隨機(jī)模擬和人工智能(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))模擬等方法結(jié)合起來，并且采用各種嵌套技術(shù)和圖示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了油氣成藏動(dòng)力學(xué)過程的三維動(dòng)態(tài)和可視化模擬。
▲ 三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)(QuantyPetro)的邏輯結(jié)構(gòu)模型
基于上述各項(xiàng)探索性研究，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一個(gè)綜合性的三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬軟件系統(tǒng)(QuantyPetroMode)。在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京和武漢兩地培養(yǎng)出相關(guān)方向的博士20 余名、碩士50 余名，還先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明專利十余項(xiàng)、軟件著作權(quán)十余項(xiàng)；在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表相關(guān)論文160 余篇。通過對(duì)國(guó)內(nèi)二十幾個(gè)大油氣田的實(shí)驗(yàn)，證明其對(duì)不同時(shí)代、不同類型油氣盆地和油氣系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性、適應(yīng)性。
2005 年夏天，團(tuán)隊(duì)一行9 人攜帶階段性研發(fā)成果和一組論文，參加了在加拿大召開的國(guó)際數(shù)學(xué)地質(zhì)協(xié)會(huì)年會(huì)(Proceedings of IAMG ’05)，與國(guó)外同行專家進(jìn)行了系統(tǒng)的交流，引起了國(guó)外同行專家廣泛的興趣和關(guān)注。其研究成果相關(guān)論文被國(guó)際雜志刊載并收入專著。此后，團(tuán)隊(duì)又承接了國(guó)家和三大油公司的多個(gè)重點(diǎn)研究課題，對(duì)研究?jī)?nèi)容和成果做了進(jìn)一步開拓、深化和應(yīng)用示范，特別是最近幾年來，在頁(yè)巖氣資源預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方面開展了新的探索和研發(fā)，取得了一些新的進(jìn)展。
地質(zhì)信息科學(xué)與技術(shù)叢書是作者團(tuán)隊(duì)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行長(zhǎng)期探索性研究的成果匯聚。最新出版的《油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬原理、方法與技術(shù)》（吳沖龍等著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 1）是叢書的第四部，即為上述理論探索研究與技術(shù)研發(fā)工作的系統(tǒng)總結(jié)。
(地質(zhì)信息科學(xué)與技術(shù)叢書)
ISBN 978-7-03-080840-0
責(zé)任編輯：黃 梅 沈 旭 李佳琴
在本書中，著重介紹了油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬的基本概念和理論、方法論、技術(shù)體系框架，以及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理與方法，其中包括油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬軟件的系統(tǒng)工程模型、油氣勘查數(shù)據(jù)管理、油氣系統(tǒng)三維地質(zhì)建模、盆地構(gòu)造演化模擬、盆地地?zé)釄?chǎng)模擬、盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬、油氣生成排放作用模擬、油氣運(yùn)移聚集人工智能模擬、油氣成藏系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬、頁(yè)巖氣資源潛力模擬評(píng)價(jià)。每個(gè)部分都結(jié)合盆地、坳陷、凹陷、洼陷或區(qū)塊的實(shí)際，開展了實(shí)驗(yàn)?zāi)M。油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬是盆地定量分析、油氣系統(tǒng)定量分析和數(shù)據(jù)密集型計(jì)算的結(jié)合，書中借鑒并融入了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究開發(fā)成果，體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)性、先進(jìn)性和創(chuàng)新性特色。
本書各章節(jié)分工明確，初稿編寫完成后由吳沖龍統(tǒng)一編纂定稿。整個(gè)研究開發(fā)工作歷時(shí)長(zhǎng)久，先后有70余人參與，團(tuán)隊(duì)對(duì)所有參與人員的貢獻(xiàn)表示衷心感謝。同時(shí)，在項(xiàng)目研究過程中，得到了多位院士、研究員及相關(guān)單位的關(guān)心和支持，團(tuán)隊(duì)也向他們致以誠(chéng)摯的謝意。
三維油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬評(píng)價(jià)軟件的研發(fā)，面臨的理論、方法和技術(shù)難題還很多，有待進(jìn)一步探討和研究。我們的工作是初步的，而本書也僅僅是對(duì)已做工作的總結(jié)和展望。書中的不足和錯(cuò)誤，歡迎同行專家和讀者們批評(píng)指正！
本文摘編資本《油氣成藏動(dòng)力學(xué)模擬原理、方法與技術(shù)》（吳沖龍等著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 1）一書“前言”“序”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。
(地質(zhì)信息科學(xué)與技術(shù)叢書)
ISBN 978-7-03-080840-0
責(zé)任編輯：黃 梅 沈 旭 李佳琴
本書可作為從事油氣勘查開發(fā)、頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)工程技術(shù)人員、科學(xué)研究人員和教員，以及博士生、碩士生和本科生的參考書。
（本文編輯：劉四旦）
（本文編輯：洪弘）
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