沉積物理模擬發(fā)展與應(yīng)用

吳 帆

沉積物理模擬發(fā)展與應(yīng)用

吳 帆

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

沉積模擬是沉積學(xué)理論研究發(fā)展的一個(gè)重要方法，它分為數(shù)值模擬和物理模擬。沉積物理模擬是對自然界中沉積的過程在室內(nèi)進(jìn)行的動態(tài)模擬，具有更加真實(shí)、形象、直觀的特點(diǎn)。它為油田進(jìn)行油氣勘探開發(fā)、建立沉積學(xué)理論知識提供了基本參數(shù)與依據(jù)。

沉積；物理模擬；沉積過程；動態(tài)模擬

1 沉積物理模擬的優(yōu)缺點(diǎn)

對于一個(gè)盆地勘探的早期，一般只有少量探井，因此其巖心、測井資料不夠全面以及地震資料品質(zhì)較差，無法清楚地看到其地質(zhì)特征。所以，筆者認(rèn)為很有必要通過沉積模擬在模式和機(jī)理方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，以指導(dǎo)地震解釋，為下一步勘探工作的開展提供參考。

相對于沉積數(shù)值模擬，沉積物理模擬有著很明顯的優(yōu)勢，在實(shí)驗(yàn)過程中它更加真實(shí)、準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)室中，我們可以通過模擬當(dāng)時(shí)的沉積條件來還原自然界中沉積物的沉積過程。比如模擬一個(gè)淺水扇三角洲相，首先設(shè)置影響扇三角洲形成的邊界條件：水動力的強(qiáng)弱、含沙量的多少、地形的高度、坡度的大小、水位的高度等來確立物理模型，進(jìn)而確定扇三角洲形成的主控因素，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來最大程度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件下扇三角洲的形成、發(fā)育及演化過程，最后再結(jié)合前人的研究和調(diào)研的情況以及相關(guān)數(shù)值模擬的結(jié)果，只要和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合則模擬成功。

沉積模擬在實(shí)驗(yàn)過程中更具有直觀、形象的特點(diǎn)。在研究過程中我們可以更加直觀地看察到扇體平在面上是如何展布以及縱向上又有哪些特征。唐勇利用沉積物理模擬來研究大型淺水扇三角洲，平面上明顯看出是由三期扇朵葉體疊制而成形成了一個(gè)整體的退積樣式，不同扇體的礫石分布也有所不同；通過砂體展開的切片可以更加直觀地觀察到扇體的內(nèi)部有著三期沉積界面，以及在退覆過程中的沉積中心的轉(zhuǎn)移［1］。齊亞林則利用物理模擬來再現(xiàn)河流入湖及卸沙的過程，直觀地理解了內(nèi)陸湖砂體的形成過程、分布規(guī)律以及幾何形態(tài)，解決了由于沉積環(huán)境標(biāo)志的復(fù)雜性問題，使得沉積環(huán)境的解釋具有更大的客觀性和確定性［2］。

沉積物理模擬也有著一定的局限性。首先耗時(shí)較長，需要研究人員長期呆在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行觀察測控，若實(shí)驗(yàn)過程中錯(cuò)過了調(diào)控時(shí)間的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，則會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。其次必須要嚴(yán)格按照幾何相似、運(yùn)動相似及動力相似理論來建立模型。最后花費(fèi)較大，要進(jìn)行一個(gè)沉積物理模擬則需要大量砂體以及進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)來研究各種控制因素對沉積體系展布的影響程度，篩選出主要控制因素。

2 沉積物理模擬的應(yīng)用

沉積物理模擬技術(shù)利用水槽實(shí)驗(yàn)在水文、地理、水電等方面被廣泛應(yīng)用。在油田生產(chǎn)開發(fā)中，基于實(shí)際情況，理論上反映出了河流入湖、沉積體系展布、砂體形成過程的具有正演性質(zhì)動態(tài)模擬。這項(xiàng)技術(shù)也為學(xué)者研究地質(zhì)建模提供了依據(jù)。

20世紀(jì)70年代的末期，長春地質(zhì)學(xué)院建立了國內(nèi)第一個(gè)玻璃水槽（長6 m，寬25 cm，高80 cm）來用于研究底形的形成和發(fā)展。20世紀(jì)80年代末期，中國地質(zhì)研究所建立了底形可以調(diào)節(jié)的玻璃水槽（長12 m，寬30 cm，高60 cm）。但由于種種原因，上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室均于20世紀(jì)90年代初期被廢棄。由于國外沉積模擬實(shí)驗(yàn)的蓬勃發(fā)展以及砂體預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用，1990年中國石油天然氣總公司（CNPC）在長江大學(xué)建立了集科研與教學(xué)為一體的湖盆沉積模擬實(shí)驗(yàn)室（水槽長16 m，寬6 m，深0.4 m）。利用該裝置，何維領(lǐng)［3］研究了不同類型的辮狀河心灘壩發(fā)育的特征，認(rèn)為底形的坡度、水流的強(qiáng)度和河流的類型是影響的主要因素，不同類型的辮狀河心灘壩的沉積幾何形態(tài)不同，為后續(xù)古辮狀河心灘壩的研究提供了理論基礎(chǔ)。朱永進(jìn)［4］則利用水槽裝置模擬了鄂爾多斯盆地上古生界大型淺水扇三角洲沉積體系的演化過程，解決了油田在開發(fā)過程中對于砂體儲存的成因機(jī)制不清的問題。斜坡沉積體系中的砂質(zhì)碎屑流沉積是斜坡帶儲層的主要類型，也是目前儲存研究的熱點(diǎn)之一，隨著陸內(nèi)勘探程度的不斷提高，由陸向海的斜坡帶成為了未來勘探的新領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，劉忠寶［5］運(yùn)用沉積模擬技術(shù)，利用水槽實(shí)驗(yàn)，綜合考慮坡長、坡深和湖水深度的不同，深入探討了斜坡帶砂紙碎屑流形成和發(fā)展的控制因素，分析了其搬運(yùn)方式，演化特征與沉積規(guī)律，為油田勘探降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

2003年，中國石油大學(xué)華東校區(qū)建立了長5 m、寬2 m、高1 m的玻璃水槽。通過該水槽裝置鄢繼華模擬了三角洲前緣滑塌濁積巖的形成過程，發(fā)現(xiàn)了4種滑塌濁積巖，形成的原因?yàn)闊o觸發(fā)的天然重力、地震、波浪以及底形變化［6］。

運(yùn)用沉積物理模擬技術(shù)來正演出沉積過程的動態(tài)模擬，具體流程如圖1所示。

圖1 沉積物理模擬流程圖

總體來說，雖然物理模擬技術(shù)在我國的發(fā)展比較短暫，但也取得了明顯的成就。通過水槽模擬過程提取出來的參數(shù)，并通過截取砂體的一些剖面，進(jìn)行與原型的對比分析，可以了解到沉積體是怎樣展布的，以及其控制因素是什么。在此過程中把這些參數(shù)提取出來，用于建立地質(zhì)知識庫，為以后地質(zhì)工作提供了定量參數(shù)。

3 結(jié)束語

沉積物理模擬技術(shù)為進(jìn)一步油田勘探起到了重要參考，不僅可以通過模擬對象的建造過程進(jìn)行檢測、再現(xiàn)其動態(tài)演變的歷史，而且可以為后續(xù)地質(zhì)工作起到一個(gè)指導(dǎo)作用。雖然沉積物理模擬技術(shù)在我國發(fā)展短暫，但基于國外沉積物理模擬技術(shù)取得的諸多成果，應(yīng)吸取其中的方法與經(jīng)驗(yàn)，在其建立地質(zhì)模型的水槽上可以有進(jìn)一步的優(yōu)化，進(jìn)而建設(shè)出更加合理且操作簡單的水槽實(shí)驗(yàn)室，可適用于不同沉積環(huán)境的模擬，對于模擬失敗的實(shí)驗(yàn)，可以分析其中原因，重新建立地質(zhì)參數(shù)，為沉積地質(zhì)建模提供更多的科學(xué)依據(jù)。

［1］唐勇.大型淺水扇三角洲發(fā)育的沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].新疆石油地質(zhì)，2017（3）：253-263.

［2］齊亞林.內(nèi)陸湖盆沉積過程物理模擬的動力學(xué)分析[C].中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會.中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會第17屆學(xué)術(shù)年會論文摘要集.中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會:中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會，2019.

［3］何維領(lǐng). 基于水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)的不同類型辮狀河心灘壩發(fā)育特征及主控因素分析[J]. 東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（6）：13-22.

［4］朱永進(jìn). 鄂爾多斯盆地上古生界淺水砂體沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 天然氣地球科學(xué)，2015（5）：833-844.

［5］劉忠寶. 牽引流砂質(zhì)載荷沿陡坡滑動形成碎屑流沉積模擬研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008（6）:30-38.

［6］鄢繼華.三角洲前緣滑塌濁積巖形成過程初探[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2004（4）：573-578.

Development and Application of Sedimentary Physical Simulation

（School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan Hubei 430100, China）

Sedimentary simulation is an important method in the research and development of sedimentology, which is divided into numerical simulation and physical simulation. Physical simulation of deposition is a dynamic simulation of the process of deposition in nature, which is more real, visual and intuitive. It can provide basic parameters and basis for oil and gas exploration and development in oil fields and for establishing sedimentological theoretical knowledge.

Physical simulation of deposition; Deposition process; Dynamic simulation

2020-03-12

吳帆（1996-），女，山西省晉城市人，碩士在讀生，研究方向：地質(zhì)工程。

P512.2

A

1004-0935（2020）07-0812-02