复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用_于炳松.pdf

第 6 9 卷第 2 期2 0 2 3 年 3 月地质论评GEOLOGICAL EVIEWVol 69No 2March，2 0 2 3注:本文为国家自然科学基金资助项目(编号:42272136、41572134)的成果。收稿日期:2022-05-10;改回日期:2022-09-10;网络首发:2022-10-20;责任编辑:刘志强。Doi:1016509/jgeoreview202210001作者简介:于炳松，男，1962 年生，博士，教授，主要从事沉积学、页岩油气和储层地质学研究;Email:yubs cugbeducn。复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用于炳松，阮壮中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京，100083内容提要:复杂性科学是当今世界科学重要的前沿领域之一。为了促进复杂性科学的基本理论和方法在页岩油气勘探和研究领域的广泛应用，笔者等重点围绕地质系统复杂性的基本内涵，从地质系统构成单元的多重耦合和相互作用、地质作用的复杂时空结构、地质作用过程中的自组织临界过程动力学以及矿产资源形成在混沌边缘等方面，介绍了地质系统复杂性研究的基本理论和研究方法。将上述地质系统复杂性理论运用于页岩油气系统，探讨了利用复杂系统的总体特征通过局域组成单元相互作用的“涌现”机制，来解决目前页岩储层中存在的如何利用微观局域精细表征进行客观刻画宏观储层特征问题;分析了利用地质作用的时空结构理论，建立页岩储层非均质性的静态和分形时空结构的方法;在整体论思想指导下，根据地质系统在混沌边缘分形生长这一规律，探讨了页岩油气在自组织临界态的混沌边缘富集预测方法。复杂性科学的理论和方法，必将在页岩油气的勘探研究中发挥越来越重要的作用。关键词:复杂性科学;自组织临界性;时空结构;混沌边缘;页岩油气复杂性科学(Science of Complexity)是一个综合性、交叉性学科，是系统科学发展的新阶段。“非线性”和“复杂性”已成为当今世界科学的重要前沿领域之 一(Coveney and Highfield，1995;於 崇 文，1998a，b;2003)。复杂性科学研究“复杂性涌现机制”(mechanisms of emergence of complexity)，被认为是 21 世纪的科学(戴汝为，1997;於崇文，1998a，b)。有关“复杂性”(complexity)的定义至今尚未取得统一的认识。要理解“复杂性”，首先必须明确“复杂系统”(complex systems)的概念。“复杂系统是由大量、不同而且强相互作用(即非线性相互作用)的 组 成 单 元 构 成 的 系 统”(Coveney andHighfield，1995;於崇文，1998a，b;2003)。复杂系统的构成要具备 3 个条件，即多个组成单元、每个单元特性不同以及单元之间具有强相互作用。因此，“复杂性”是指“远离平衡的巨大耗散系统中由于组成单元之间局域的非线性相互作用而自发地涌现出(emerge)的系统总体性质、结构与动力学行为”(Coveney and Highfield，1995;於崇文，1998a，b;2003)。复杂系统总体的特性是由局部构成单元或子系统相互作用所产生的，但又不同于局部构成单元或子系统的固有特性，这正是“复杂性”的本质。因此“涌现”(emergence)是复杂动力系统内在的基本特征与属性，系统的复杂性是系统自组织的结果(Bushev，1994;於崇文，1998a，b;2003)。复杂系统的特性、结构与动力学行为是由于系统整体的自组织才“涌现”出来的。地质系统作为自然系统的重要组成部分，其复杂性已受到了学术界的高度重视。笔者等试图围绕地质系统复杂性的内涵，介绍地质系统复杂性研究的基本理论和研究方法，并将上述地质系统复杂性理论与方法运用于页岩油气系统，以期促进复杂性科学的理论和方法在页岩油气研究和勘探领域的应用。1地质系统的复杂性以於崇文院士为代表的地质学家们，在地质系统的复杂性科学领域进行了开拓性研究，明确指出，地质系统的复杂性研究将是 21 世纪地球科学发展中具有战略地位的学科生长点之一(於崇文，2003)。地质系统的复杂性主要体现在:多组成耦合的相干与协同及多种过程的耦合与相互作用之多重叠加使远离平衡的时空延展耗散系统自发地通过自组织过程演化而归宿于混沌边缘，并呈现自组织临界性(Bushev，1994;Turcotte，1997;於崇文，2003)。此外值得强调指出的是，自组织临界性的涌现在事物的本质上揭示了非线性动力学与时空分形结构之间的内在联系，因此自组织临界性是阐明物质运动与时间、空间三者之间内在规律的一种统一和普适的理论(Bushev，1994;Turcotte，1997;於崇文，2003)。地质系统由多个子系统所构成，分别由各种化学元素、同位素、矿物、岩石、地质体等多种尺度的单元组合而成。不同类型、不同特性物质子系统单元的复杂耦合和相互作用，称之为“多单元的耦合与相互作用”。子系统的耦合可以使各组成单元间发生相互关联、协同和合作，从而在根本上改变组成单元本身的动力学行为并导致系统逐渐转变为宏观的有序状态(Bushev，1994;於崇文，2003)。自然科学和哲学所探究的关键问题是物质运动、时间和空间的关系。在地质学领域，地质作用的实质是在特定时空域内地球物质的运动。因此，揭示地质作用时间演化和空间展布的规律性，即“时间结构”和“空间结构”是地质学研究的关键问题之一。地质作用发生在时、空四维结构中，因此，地质作用与时空结构是一切地质现象的本质和核心(Turcotte，1997;於崇文，2003)。於崇文院士在对复杂系统中的自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌等理论进行系统分析后，指出它们刻画了自然界复杂动力系统时空演化这一命题的本质属性(於崇文，2003)。基于对地质作用过程的自组织临界性和时空特点的研究，他总结出了地质系统的复杂性理论，并称之为:“地质作用的自组织临界过程动力学地质系统在混沌边缘分形生长”(於崇文，2000a，b，2003)。该理论指出地质系统是自然界中具有自组织临界性内在基本属性的一种巨大耗散动力学系统;地质系统位于有序和混沌之间的过渡时空域，即混沌边缘，并且地质系统在混沌边缘分形生长(Turcotte，1997;於崇文，2003)。虽然混沌的主要特征是其不规则性，但是混沌源自系统内在的确定性，系统宏观的混沌现象内含着微观的有序结构，即微观分形结构。因此，确定性随机是混沌的本质。地质复杂系统分析的重要方法论就是从混沌寻找有序(Bushev，1994;於崇文，1999a，b，2000a，b)。运用地质系统复杂性理论研究矿产资源问题，发现了“大型矿床和矿集区形成在混沌边缘”(於崇文，1999a，b，2003)。这一发现对于预测、寻找和评价矿产资源具有十分重要的意义。它为我们提供了一种新的找矿理论、方法和思路。由于这一规律建立在复杂系统和复杂性科学的基础上，因此，它在整个地球系统和地质作用中具有普适性和普遍意义(於崇文，1999a，b，2003)。页岩油气系统就是复杂地质系统中的一个子系统，它具有复杂系统的内在属性。2页岩油气复杂系统页岩油气作为源储一体的源内油气系统，是一个由多种矿物组分、不同类型和成熟度的有机质、不同结构和成因的孔隙(缝)单元、以及烃类流体等亚系统所组成的一个复杂系统。这些组成单元性质不同且具有强烈的非线性相互作用，通过系统的自组织从而自发地呈现出了页岩油气系统的总体特性、时空结构和动力学行为。由此可见，受沉积和成岩作用控制的页岩油气系统各组成单元相互作用而涌现出的多尺度的储层非均质性及其时空结构、页岩油气形成和富集的动力学过程是页岩油气系统复杂性的具体体现。目前，我们对于页岩油气系统的研究，在方法论上采用的是通过对不同组成单元(岩相、有机质、孔缝、烃类流体等子系统)的分别研究来认识其总体特性，即还原论(reductionism)的方法。而复杂性科学理论明确指出，复杂性和自组织临界性是系统的整体特性，因此须用整体论(holism)这一方法论开展研究，而不能仅用还原论方法认识系统整体的特征(於崇文，2003)。整体论是对系统的集体性质与行为(collective properties and behaviors)进行研究，也就是把系统作为整体进行研究。由此可见，以整体论为主导，辅以还原论，是研究页岩油气复杂系统的科学和完整的方法论。这将为揭示页岩油气系统非均质性时空结构规律和为页岩油气富集机制提供新的有效途径。3复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用页岩油气作为一个复杂系统，包含了物质组成、结构、构造、孔隙、裂缝、油气的生成和聚集等多个复杂的子系统。这些子系统又由更次一级的子系统组成，构成了一个多类型多层次的复杂系统。本文试图从中选取几个代表性的方面，分析复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用，以期抛砖引玉，为深024地质论评2023 年入探索页岩油气系统的复杂性提供借鉴。31页岩储层微观表征对宏观特征的体现无论是国际上还是国内学界，由于页岩细小的微纳米孔隙体系，决定了在页岩气储层复杂孔隙系统的表征上，一方面，对其复杂性的定量刻画有待进一步探索和深入;另一方面，目前对于孔隙体系的表征主要集中在微观层面上，缺少其在宏观储层特征的体现。因此，如何利用页岩微观孔隙表征结果来定量刻画孔隙体系不同方面的复杂性，并据此体现和描述宏观储层特征及其非均质性，目前尚缺乏有效的评价方法。页岩储层是由不同的矿物组分、有机质类型、不同的孔隙类型和孔隙结构等单元所组成的复杂系统。这些组成单元的多重耦合、相互关联和相互作用，“涌现”出不同于上述组成单元特征的储层宏观性质。复杂系统的这种总体特征通过局域组成单元相互作用的“涌现”机制，为我们解决目前页岩储层中存在的如何利用微观局域精细表征客观刻画宏观储层特征问题提供了重要的理论支持。由于页岩储层的特殊性和孔喉结构的复杂性，导致常规的孔隙度和渗透率参数对宏观储层特征的表达力明显下降。为此，人们探索了基于微、纳米孔喉结构特征的复杂性参数，如孔喉分形维数、表观渗透率、谱维数等来刻画页岩储层的宏观特征。311孔喉分形维数和迂曲度分形维数(1)孔喉分维数(Dp)。根据孔喉分形的概念和定义，则有:N L ()=max()Dp(1)上式中为孔径，max为最大孔径，L为标度，Dp则为孔隙分维数。它反映了孔喉大小及其空间分布的不均匀程度。Yu Boming 等(2009)建立了孔隙度、孔隙直径与孔隙分维数的关系:Dp=dElnln(minmax)(2)上式中:dE是欧几里得维数(在三维空间中为 3，在二维空间中为 2)，为孔隙度，为孔隙直径。由此可见，用不同方法测得孔隙度和最大、最小孔径后，即可求得孔隙分维数。(2)孔喉迂曲度分维数(D)。孔喉迂曲度分维数反映了孔通道轴线的弯曲程度。迂曲毛细管通道的长度与直径之间存在以下关系(Zheng Qianand Yu Boming，2012):L()=1DLD0(3)式中:是毛细管直径，L0是毛细管直线长度，D即为孔道迂曲度分维数。而 D具有如下表达式:D=1+ln lnL0(4)上式中:为毛细管通道平均迂曲度，为平均孔径。而平均迂曲度可由下式求得(Yu Boming and LiuWei，2004):=121+121+1 11 1()2+141 1(5)平均孔径可通过孔隙分维数由下式求得:=DpminDp 1(6)综上，即可求得孔通道的迂曲度分维数。312页岩储层表观渗透率关于页岩油储层的表观渗透率模型目前尚处于初期探索阶段(Zhang Qi et al，2017;Feng Qihonget al，2019;Wang Han et al，2019)。下面以页岩气储层表观渗透率为例说明页岩储层表观渗透率模型的建立。在页岩微纳米级孔隙中，页岩气的迁移主要存在黏性流动、努森扩散和表面扩散等几种机制(图 1)。图 1 页岩微纳米孔隙中页岩气迁移机制示意图(据 Song Wenhui et al，2016)Fig 1 Schematic map of