緩坡淺水辮狀河三角洲沉積模擬實驗研究

劉忠保,羅順社,何幼斌,尹太舉,尚 飛,呂奇奇,羅進雄

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,湖北 荊州 434023;2.長江大學地球科學學院,湖北 荊州 434023;3.中海油上海分公司,上海 200030)

緩坡型淺水辮狀河三角洲是三角洲沉積體系中一種特殊的沉積類型,在我國鄂爾多斯盆地[1]、焉耆盆地[2]等均有發育,其形成的砂體被勘探實踐證明是巖性油氣藏勘探的重要目標之一。鄂爾多斯盆地在晚古生代沉積演化過程中,從石炭系本溪組至二疊系石千峰組各組均發育了多套儲集砂體,目前,在太原組,山西組,石盒子組均發現了大氣田,在本溪組和石千峰組也發現了若干個氣藏。其中,儲集砂體最為發育的層段為二疊系下石盒子組盒8段,該段儲集砂體在盆地內表現為“廣覆式大面積分布”的特征[3]。本文在前人研究基礎上[4-12],運用水槽實驗模擬分析方法,針對鄂爾多斯盆地蘇里格地區二疊系中統下石盒子組盒8段,就辮狀河三角洲形成及演變的主控因素進行探討,并進一步剖析大面積砂巖連片分布機理,建立實驗條件下辮狀河三角洲沉積模式。

1 實驗設計

鄂爾多斯盆地蘇里格地區二疊系中統下石盒子組盒8段沉積期,盆地屬南北向展布的矩形內陸坳陷盆地,古地形為北高南低的單斜,地形坡度小于1°,物源主要來源于盆地北部的陰山古陸,母巖成分東西部差異明顯,其中西部為富石英物源,東部為富巖屑物源。發育緩坡型淺水辮狀河三角洲沉積體系,砂巖粒度以粗砂為主,其次為中砂和細礫,分選與磨圓中等-好,多為次棱角-次圓狀。根據研究區地質模型,結合實驗室實際條件,建立物理模型,分階段進行沉積模擬實驗,并設計了詳細的實驗方案。

緩坡型淺水辮狀河三角洲沉積模擬實驗在水槽中進行(圖 1),該水槽長16m,寬 6m,深0.8 m,距地平面高2.2 m,另有4塊面積均為2.5 m×2.5 m=6.25 m2的活動底板組成活動底板系統,活動底板能向四周同步傾斜、異步傾斜、同步升降、異步升降(圖2)。原始底形控制著沉積體系的展布[13]。本次實驗以山西組沉積后的古地形為依據制作底形(圖3),固定河道(y=0～ 3 m)坡降約0.6°,非固定河道(y=3 m～6 m)坡降約1.2°,活動底板區(y=6 m～15 m)坡降約0.3°,該底形設計與實際地質背景大致相符。考慮到實驗過程的可操作性、水流的搬運能力以及洪水期、中水期、枯水期含沙量的變化,設計加砂組成(表1)。按照自然界中的一般規律[14],設計洪水、中水、枯水的流量比例為6∶3∶1,實驗中選定洪水期流量為2.4 L/s,平水期流量為1.2 L/s,枯水期流量為0.4 L/s。設計活動底板的運動狀況如表2所示,以保證形成沉積坳陷。

圖1 沉積模擬實驗裝置示意圖

2 實驗過程

本實驗共進行約250 h,分六輪完成,即模擬盒86、盒 85、盒 84、盒83、盒 82、盒 81 六個沉積期。每期均按中水—洪水—中水—枯水的順序進行。每個實驗沉積期湖水位不斷變換,局部呈現為湖侵,總體上是一個湖退沉積過程。伴隨著來水過程、加砂過程及湖平面等實驗控制條件的不斷改變,最終形成辮狀河三角洲砂體大面積展布。

實驗初期,水流沿襲原始河道攜帶泥砂快速在河道部位沉積,后逐步向湖區方向推進,并于入湖處形成三角洲雛形。此時,由于砂體處于生長初期,發育空間大,伸展速率較快。砂體形態初期規模較小,外形圓滑,呈鈍舌狀。隨著主水流的頻繁擺動,砂體發育的優勢方向隨之改變,砂體全方位發育,呈指狀或鳥足狀。洪水期由于流量增加,水流呈動平床狀態,砂體發育快,粗顆粒可被搬運至湖區前端沉積。中水期流量相對降低,出現分支河道,砂壩出露,隨著湖水位降低,水流下切明顯。枯水期砂體進一步暴露,出露范圍大,河流沿襲原切割較深的分流河道部位。湖水位上升后,砂體縱向發育受阻,前緣平直。湖水位較低后水流呈樹枝狀,水流下切作用明顯,砂壩數量增多。這些控制條件的改變也較符合鄂爾多斯盆地蘇里格地區盒8沉積期的環境變化實況。

圖2 活動底板升降裝置示意圖

圖3 原始底形設計示意圖

表1 緩坡淺水辮狀河三角洲沉積模擬實驗加砂組成

表2 實驗活動底板運動狀況

3 實驗結果

3.1 砂體形態分布

通過網格點(x方向30cm間隔,y方向50cm間隔)測量,分別繪制出了原始底形、每一沉積期砂體厚度等值線圖和累計砂體厚度等值線圖(見圖4)。從圖中可以看出不同沉積期有以下變化趨勢:

(1)無論是單層砂體厚度還是砂體累計厚度,Y在7.5 m～11 m附近沉積較厚,說明該部位是三角洲沉積的主體,Y在7 m之前的三角洲近端部位及Y=11.0 m之后的前三角洲部位相對較薄;X在2.5 m～4.5 m附近(即兩個物源的交匯處)沉積較薄;由于每一期沉積物向湖區延伸的砂體邊界不一樣,在第四沉積期、第五沉積期和第六沉積期的Y=11.0 m之后局部出現厚狀砂體。

圖4 實驗原始底形及辮狀河三角洲砂體厚度等值線圖

(2)由于原始地形,水動力條件以及加砂量等因素的影響,第一沉積期的沉積物厚度是從物源方向向湖區逐漸變薄,其它幾個沉積期都是逐漸變厚再變薄的趨勢。

(3)三角洲砂體沿著本身物源方向或辮狀河道的方向呈條帶狀或舌狀分布,三角洲砂體厚度分布的尖朵體展布或指狀展布方向代表了分流河道的走向及主砂帶的展布方向。

(4)第一沉積期,河道主要在兩側擺動,在X=3.0 m,即兩個物源的交匯處砂體沉積較薄;隨著實驗的深入,第二沉積期主河道向內側移動,砂體橫向分布較均勻;第三、四、五、六時期,砂體相互切割,侵蝕作用較強,砂壩非常發育,河道左右遷移、擺動、匯合頻繁,最終形成面積大、范圍廣、沉積厚度較均勻的連片狀砂體。

3.2 典型沉積構造

通過精細三維切片,發現辮狀河三角洲層理類型較豐富,隔夾層明顯,各沉積期縱向展布層次清晰易辨。常見層理類型有平行層理、交錯層理。在縱剖面上可見湖成三角洲的三層結構,即底積層、前積層和頂積層(圖5)。而在橫剖面上可見大量的側積交錯層理(圖6),層系規模為3cm～10cm不等,層系上下呈反S型,上下均收斂。交錯層的遷移方向與水流方向垂直;層系厚度較大,規模也較大;沿沖刷面從底到頂粒度由粗變細,細層亦具有從下到上粒度由粗變細的特征。

圖5 辮狀河三角洲X=2.5 m,Y=10.0 m～10.5 m縱剖面圖

圖6 辮狀河三角洲橫剖面Y=9.5 m,X=3.0 m～2.5 m側積交錯層

3.3 沉積微相類型

通過對實驗過程的監測,發現實驗條件下,辮狀河三角洲可劃分為兩個亞相、八個微相(表3)。以辮狀河三角洲平原為主,三角洲前緣不太發育(圖7),這是因為隨著沉積過程的不斷進行,坡度逐漸變緩,限制了辮狀河三角洲前緣的發育空間,同時湖水對沉積物的頂托作用使沉積物搬運不遠。

表3 實驗條件下辮狀河三角洲沉積微相類型

圖7 實驗條件下辮狀河三角洲微相類型圖

4 實驗分析

4.1 辮狀河三角洲形成與演變的主控因素

實驗表明,基底沉降、湖水位、流量、加砂量(物源供給)等是影響盒8期辮狀河三角洲形成及演變的主控因素。

湖區活動基底的沉降,造成床面坡降變大,提供了砂體沉積的可容納空間,導致三角洲砂體垂向發育加快,厚度變大。

高湖水位期,分流河道不甚發育,分流河道數量少,朵體不發育,橫向連片但規模較小;湖水位保持不變時,分流河道左右擺動,砂體以橫向展布為主;湖水位降低時分流河道發育,砂體以順流加積為主,長條狀縱向砂壩明顯增多。

洪水期水流強度大,搬運能力強,砂壩縱向伸展,延伸距離遠;中水期對砂體以改造為主,砂壩類型多樣,斜列砂壩發育;枯水期因水流較弱,砂體大范圍暴露,主要沿襲原有河道發育細粒沉積,對砂體起細化作用[15]。

流量較穩定,加大輸砂量,物源供給充足,辮狀河三角洲發育速度加快,沉積過程加速。分流河道橫向遷移頻繁,斜列砂壩十分發育。流量較穩定,減少加砂量,物源供給不足時,辮狀河三角洲以主河道發育為主,分流河道不發育,兩側斷流或廢棄。

4.2 大面積砂巖分布的主控因素

4.2.1 地形坡度

緩坡地質背景是大面積砂巖形成的重要基礎。低坡度條件下水流速度緩慢,沉積物前積受阻,利于分流河道發育,河道以側向遷移為主,砂壩與河道之間相互切割交替,橫向連片,易形成內部結構復雜的大面積砂巖。

4.2.2 物源

物源供給充足是形成大面積砂巖的物質基礎。物源供給充足,砂泥比大,砂體縱橫向遷移加速,砂質主要在河口區沉積,形成朵狀砂壩,砂壩遷移疊置形成連片砂體;物源供給不足,主河道發育,對砂壩以侵蝕改造為主。

4.2.3 水流強度

強水流是形成大面積砂巖的重要水動力條件。主要表現為砂體縱向延伸長及粗顆粒廣布。水量較大且持續時間較長時,河流分支增多,多股水流攜帶泥砂整體向湖區推進。河道頻繁遷移,入湖形成多個小朵體,側向遷移,垂向疊置,砂體連片。此外,強水流造成粗顆粒分布范圍廣,搬運距離遠,且以推移搬運為主。

4.2.4 湖水位的進退

湖水位頻繁進退是形成大面積砂巖的重要控制因素。湖水位頻繁進退影響著大面積砂體平面上的多期次相互疊置。湖水位較高,水流分散時,砂體全方位推進,橫向展寬,縱向伸展;水流集中時,主河道發育,進積較快,砂體橫向連片,但規模較小;湖水位相對穩定,分流河道改道、遷移頻繁,砂體以側向加積為主,橫向連片;湖水位下降,可容納空間變小,縱比降變大,順流沉積加速,砂體前積,縱向伸展。

4.2.5 水系交匯

多水系的匯水是形成大面積砂巖的重要方式。多物源水系的交匯形成匯水水流,導致單層砂體厚度增大,其連片性增強,最終擴大了砂巖連片面積,形成大面積的砂巖分布。

4.3 沉積模式

實驗研究表明,辮狀河三角洲上游部位因物源區水流的慣性作用使水道順直,以滯留沉積為主,是沉積物向湖區搬運的通道。辮狀河三角洲中游部位河道寬且淺,分汊明顯,主要發育縱向砂壩和斜列砂壩,辮狀河三角洲下游,多股水道交織、分汊、匯合、再分汊,砂體橫向連片,縱向伸展,主要發育河口砂壩、縱向砂壩和斜列砂壩。其中,辮狀分流河道砂體縱向相互疊置,橫向復合連片呈毯式大面積分布,垂向上對下伏沉積物具有明顯的沖刷現象,顯示了淺水辮狀分流河道的沉積特征。在剖面和平面上基本呈透鏡體分布,反映水淺流急,水動力強,砂體擺動頻繁的特征;砂體旋回的頂部為保存不完整到相對完整的細粒沉積單元,反映出隨著河流向著蓄水盆地的推進,水動力條件逐漸減弱。

結合原始地質模型,建立了實驗條件下蘇里格地區盒8段辮狀河三角洲相模式圖(圖8)。

圖8 辮狀河三角洲沉積模式圖

5 結 論

根據鄂爾多斯盆地蘇里格地區盒8沉積期原型地質特征,結合現代沉積條件和已有的實驗手段,開展了鄂爾多斯盆地蘇里格地區二疊紀盒8段辮狀河三角洲沉積模擬實驗研究。實驗發現,影響蘇里格地區盒8期辮狀河三角洲形成及演變的主要控制因素包括基底沉降、相對湖平面升降、流量及物源供給等。這些因素不僅控制著盆地內不同區域儲集砂體的巖性特征,也控制著砂體的平面分布、厚度變化及其連片性。實驗表明,緩坡地質背景、充足物源供給、強水流、湖水位頻繁進退、多水系的匯水是鄂爾多斯盆地蘇里格地區盒8段大面積砂巖分布的主要原因。結合原始地質模型和實驗成果,建立了實驗條件下蘇里格地區盒8段辮狀河三角洲沉積模式。

[1]楊華,魏新善.鄂爾多斯盆地蘇里格地區天然氣勘探新進展[J].天然氣工業,2007,27(12):6-11.

[2]謝輝.淺水粗粒辮狀河三角洲沉積微相特征與油氣產能的關系——以焉耆盆地寶浪油田為例[J].地球科學與環境學報,2004,26(4):37-40.

[3]田景春,吳 琦,王 峰,等.鄂爾多斯盆地下石盒子組盒8段儲集砂體發育控制因素及沉積模式研究[J].巖石學報,2011,27(8):2403-2412.

[4]李浩,陳洪德,林良彪,等.鄂爾多斯盆地西北部盒8段淺水三角洲砂體成因及分布模式[J].成都理工大學學報(自然科學版),2011,38(2):132-139.

[5]李元昊,劉馳洋,獨育國,等.鄂爾多斯盆地西北部上三疊統延長組長8油層組淺水三角洲沉積特征及湖岸線控砂[J].古地理學報,2009,11(3):265-274.

[6]白全明,樊長栓,李曉茹,等.辮狀河道砂體模擬——以蘇里格蘇6井區為例[J].石油天然氣學報,2005,27(5):580-582.

[7]陳安清,陳洪德,向芳,等.鄂爾多斯東北部山西組—上石盒子組砂巖特征及物源分析[J].成都理工大學學報(自然科學版),2007,34(3):305-311.

[8]付鎖堂,田景春,陳洪德,等.鄂爾多斯盆地晚古生代三角洲沉積體系平面展布特征[J].成都理工大學學報(自然科學版),2003,30(3):236-241.

[9]何順利,蘭朝利,門成全.蘇里格氣田儲層的新型辮狀河沉積模式[J].石油學報,2005,26(6):25-29.

[10]胡光明,紀友亮,賈愛林,等.鄂爾多斯盆地蘇里格地區二疊系河流相砂體展布規律[J].油氣地質與采收率,2004,11(1):4-6.

[11]沈玉林,郭英海,李壯福.鄂爾多斯盆地蘇里格廟地區二疊系山西組及下石盒子組盒八段沉積相[J].古地理學報,2006,8(1):53-62.

[12]肖建新,孫粉錦,何乃祥,等.鄂爾多斯盆地二疊系山西組及下石盒子組盒8段南北物源沉積匯水區與古地理[J].古地理學報,2008,10(4):341-354.

[13]張春生,劉忠保,張俊,等.曲流河凹岸灘壩沉積模擬實驗研究[J].江漢石油學院學報,1997,(3):19-23.

[14]張春生,劉忠保.現代河湖沉積與模擬實驗[M].北京:地質出版社,1997:30-40.

[15]Schumm S A,Khan H R.Experimental study of channel pattern[J].Bull Geol Soc Am,1972,83(2):1755-1770.