X凹陷H組辮狀河三角洲沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究

李楊陽，高 鵬

(長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

0 前 言

辮狀河三角洲的概念最早是由McPherson提出的，其定義為由辮狀河體系流入到停滯水體中形成的富含砂和礫石的粗粒三角洲[1]。隨著石油勘探開發(fā)的不斷深入，證實(shí)了辮狀河三角洲也含有較好的油氣儲集性能，因而受到廣泛的關(guān)注。

近年來，中國學(xué)者在松遼盆地、柴達(dá)木盆地等含油氣盆地中發(fā)現(xiàn)了辮狀河三角洲沉積體[2-3]，并對辮狀河三角洲的沉積體系等方面做了較多研究，但對辮狀河三角洲砂體的形成過程和展布規(guī)律研究較少。本次研究在X凹陷H組現(xiàn)代沉積研究的基礎(chǔ)上，通過水槽模擬實(shí)驗(yàn)，弄清了研究區(qū)辮狀河三角洲砂體形成機(jī)理，為后期的地質(zhì)建模和沉積模式的建立提供依據(jù)。

1 沉積模擬設(shè)計(jì)

1.1 模擬比尺

X凹陷H組含油面積為32～50 km2，考慮到實(shí)驗(yàn)裝置的布局，本次實(shí)驗(yàn)擴(kuò)大至60 km2，其中長10 km，寬6 km。X，Y方向的有效使用范圍分別為為6 m和9.5 m。由于研究區(qū)是實(shí)驗(yàn)區(qū)的一部分，因此設(shè)置X、Y方向的比例尺為1∶3 000，Z方向上的比例尺為1∶1 000。

1.2 底型設(shè)計(jì)

研究區(qū)屬于辮狀河三角洲的一部分，工區(qū)主要發(fā)育水下分流河道。物源方向?yàn)楸睎|方向和正東方向。Y=0～4.5 m為固定直河道，河道寬60 cm，深40 cm，坡降為10‰；Y=4.5～6.5 m為入湖引導(dǎo)區(qū)，坡降為8‰左右，其中主物源坡降為5‰，次物源坡降為15‰；Y=6.5～14 m為沉積區(qū)，坡降為3‰，底型設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 X凹陷H組辮狀河三角洲實(shí)驗(yàn)底型設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

通過對研究區(qū)流水的實(shí)地考察和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，設(shè)計(jì)主、次物源洪水期、中水期和枯水期流量分別為3.7，1.9，0.7 L/s，洪水期、中水期和枯水期的時間比約為1∶2∶1。根據(jù)工區(qū)巖性特征，設(shè)計(jì)主物源以細(xì)砂為主，次物源以中砂為主。

2 模擬過程

依據(jù)相似原理再現(xiàn)X凹陷H 組的形成過程。模擬過程中，監(jiān)控碎屑沉積體系的生長形態(tài)及演變規(guī)律。本次實(shí)驗(yàn)主要分為兩期完成，累積進(jìn)行了約238.5 h，每期實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同要求按照中水期—洪水期—中水期—枯水期的順序供水，根據(jù)自然規(guī)律控制流量時間和加沙量。

2.1 第1沉積期

第1沉積期主要模擬Hb小層，實(shí)驗(yàn)總共歷時159.5 h，湖水位在11～18 cm之間變化。實(shí)驗(yàn)初期，主物源水流攜帶沉積物以牽引流方式進(jìn)入湖區(qū)，砂體規(guī)模逐步擴(kuò)大，并在入湖處形成三角洲雛形。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行11～14 h期間，次物源放水，由于次物源坡度較陡，粒度較粗，次物源水流湍急，快速在入湖處形成砂體，砂體規(guī)模不大，但厚度較厚。第1沉積期中期，共模擬了兩次湖侵和多次湖退過程，湖水位降低時，水流呈樹枝狀，水流下切作用明顯，主要發(fā)育縱向砂壩和斜列砂壩；湖水位上升時，砂體縱向發(fā)育受阻，前緣平直，在近物源處以橫向展布，垂向增厚為主?？傮w來說，第1沉積期以主物源放水為主，次物源與主物源砂體分界線明顯，水流改道頻繁，砂體整體發(fā)育均勻，厚度較厚，縱向延伸最遠(yuǎn)至9.9 m。

2.2 第2沉積期

第2沉積期主要模擬Ha小層，實(shí)驗(yàn)總共歷時79 h，湖水位控制在18.5 cm左右。該期實(shí)驗(yàn)前19 h，湖水位控制在18.5 cm左右，次物源水流在出水口處沖出長舌狀砂體，中水時期，水下分流河道發(fā)育，最多發(fā)育8條水下分流河道，河道規(guī)模較??；洪水期，水量變大，整個砂體被片流覆蓋，右側(cè)水流將主物源出水口主河道左側(cè)泥表皮沖開，并形成凹坑。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行19～49 h期間，湖水位略有上升，控制在19.5 cm左右，以中水和洪水為主，主物源放水，將沉積物帶到湖區(qū)前端，砂體縱向最遠(yuǎn)處推至10.2 m。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至50 h時，次物源放水，觀察發(fā)現(xiàn)，顆粒越粗，分流點(diǎn)越靠近物源位置；水流越大，分流點(diǎn)越向前推進(jìn)，朵體夾角也隨之變小。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，主物源放水，砂體整體加厚，最終砂體到達(dá)最遠(yuǎn)處為10.3 m?？傮w來說，第2沉積期主、次物源各放水兩次，在雙物源交匯處，砂體切割、侵蝕，交匯頻繁。

3 實(shí)驗(yàn)認(rèn)識

各物源流量不同、坡降大小、粒度粗細(xì)、基底沉降，相對湖平面的變化等對砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。通過對實(shí)驗(yàn)的觀察和分析，關(guān)于辮狀河三角洲砂體成因得出如下結(jié)論。

1) 水流強(qiáng)及加沙量充足有利于砂體發(fā)育。

實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，流量為3.7 L/s，加沙量充足時，辮狀河三角洲砂體發(fā)育速度加快，砂體整體加寬，伸長，變厚；流量為1.9 L/s，加沙量不足時，主要沿襲原有河道，發(fā)育細(xì)粒沉積，砂體表面沉積物重新分配，表現(xiàn)為“削高補(bǔ)低”。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)流量小和加沙量不足時，河道單一，水流對前期砂體進(jìn)行改造，以下切、侵蝕為主；當(dāng)流量強(qiáng)和加沙量充足時，砂體快速向前進(jìn)積，砂體延伸范圍擴(kuò)大、沉積厚度加厚。因此流量強(qiáng)及加沙量充足有利于砂體發(fā)育。

2) 不同地形和粒度的有機(jī)組合控制著砂體厚度和平面展布范圍。

坡降控制在3‰左右，粒度較細(xì)的主物源沉積從Y=5.8 m延伸至Y=8.8 m處，橫向上展寬為3.8 m，在X=3 m、Y=7.5 m處，砂體垂向上增厚2.2 cm。坡降控制在8‰左右，粒度較粗的次物源沉積從Y=6.5 m延伸至Y=7.9 m處，橫向展寬1.8 m，在X=1.5 m，Y=7.5 m處，砂體垂向上增厚8.3 cm。實(shí)驗(yàn)表明，次物源粒度較粗，分選差，坡度較陡，水流攜帶沉積物快速進(jìn)入湖區(qū)，砂體縱向延伸距離較短，沉積厚度較大；主物源粒度較細(xì)，坡度較緩，砂體具有沉積厚度較薄，平面延伸范圍較廣的特點(diǎn)。因此地形較陡、粒度較粗有利于砂體垂向增厚，地形平緩、粒度較細(xì)有利于砂體平面展布。

3) 基底沉降影響著垂向上雙物源砂體的疊置厚度。

構(gòu)造運(yùn)動基底沉降一方面給湖區(qū)砂體沉積提供了可容納空間，另一方面導(dǎo)致河床坡降變大[4]。當(dāng)?shù)谝怀练e期進(jìn)行到91 h時，活動底板第1排至第4排沉降量都為5 cm，在Y=7 m處可清晰見到基底沉降的界線。在Y=2.75 m縱剖面上，清楚可見，由于基底沉降，雙物源砂體厚度明顯變厚。實(shí)驗(yàn)表明，由于基底沉降導(dǎo)致河床坡降和可容納空間變大，垂向上砂體發(fā)育，疊置厚度增大。因此基底沉降有助于垂向上雙物源疊置砂體的發(fā)育。

4) 湖平面下降有助于平面上雙物源砂體相互疊置。

實(shí)驗(yàn)過程觀察：湖平面上升時，水流攜帶的砂體入湖，由于水進(jìn)導(dǎo)致砂體前積受到阻力增大，使得三角洲砂體延伸距離變短，沉積物不斷在靠近物源處堆積，導(dǎo)致垂向上的厚度增厚；湖平面下降時，水流攜帶的砂體入湖，由于慣性作用，砂體不斷向遠(yuǎn)處推進(jìn)，導(dǎo)致平面上砂體延伸面積明顯增大。 實(shí)驗(yàn)研究表明，湖進(jìn)時，發(fā)育退積式三角洲，砂體縱向延伸受阻，在近物源處以垂向加厚為主；湖退時，發(fā)育進(jìn)積式三角洲，以縱向延伸為主，橫向展寬，主、次物源砂體疊加面積不斷增大。因此，湖平面下降有助于平面上雙物源砂體相互疊置。

4 結(jié) 語

1)沉積模擬實(shí)驗(yàn)可以解決實(shí)際問題和重塑原型地質(zhì)特征。根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過沉積模擬實(shí)驗(yàn)重演和再現(xiàn)研究區(qū)的實(shí)際過程，研究了辮狀河三角洲砂體的主控因素、砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征。

2)應(yīng)用沉積模擬技術(shù)，結(jié)合前人研究表明水流強(qiáng)及加沙量充足有利于砂體發(fā)育；不同地形和粒度的有機(jī)組合控制著砂體厚度和平面展布范圍，地形較陡、粒度較粗有利于砂體垂向增厚，地形平緩、粒度較細(xì)有利于砂體平面展布；基底沉降影響著垂向上雙物源砂體的疊置厚度；湖平面下降有助于平面上雙物源砂體相互疊置。

[1] McPherson J G, Shanmugam G. Fan deltas and braid deltas Varieties of coarse grainted detals[J]. Geological Society of America Bulletin, 1987(99): 331-340.

[2] 李彥芳, 車啟鵬, 辛仁臣. 松遼盆地西部斜坡英臺地區(qū)姚二、三段辮狀河三角洲沉積特征研究[J]. 長春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào), 1993, 23(4): 405-410.

[3] 金振奎, 齊聰偉, 薛建勤, 等. 柴達(dá)木盆地北緣侏羅系沉積相[J]. 古地理學(xué)報(bào), 2006, 8(2): 199-210.

[4] 張春生. 碎屑巖沉積模擬技術(shù)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2003.