沉積物理模擬發展與應用

吳 帆

沉積物理模擬發展與應用

吳 帆

（長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100）

沉積模擬是沉積學理論研究發展的一個重要方法，它分為數值模擬和物理模擬。沉積物理模擬是對自然界中沉積的過程在室內進行的動態模擬，具有更加真實、形象、直觀的特點。它為油田進行油氣勘探開發、建立沉積學理論知識提供了基本參數與依據。

沉積；物理模擬；沉積過程；動態模擬

1 沉積物理模擬的優缺點

對于一個盆地勘探的早期，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較差，無法清楚地看到其地質特征。所以，筆者認為很有必要通過沉積模擬在模式和機理方面進行實驗探索，以指導地震解釋，為下一步勘探工作的開展提供參考。

相對于沉積數值模擬，沉積物理模擬有著很明顯的優勢，在實驗過程中它更加真實、準確。在實驗室中，我們可以通過模擬當時的沉積條件來還原自然界中沉積物的沉積過程。比如模擬一個淺水扇三角洲相，首先設置影響扇三角洲形成的邊界條件：水動力的強弱、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，進而確定扇三角洲形成的主控因素，然后根據實驗結果分析來最大程度上進行實驗條件下扇三角洲的形成、發育及演化過程，最后再結合前人的研究和調研的情況以及相關數值模擬的結果，只要和實驗數據相符合則模擬成功。

沉積模擬在實驗過程中更具有直觀、形象的特點。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部有著三期沉積界面，以及在退覆過程中的沉積中心的轉移［1］。齊亞林則利用物理模擬來再現河流入湖及卸沙的過程，直觀地理解了內陸湖砂體的形成過程、分布規律以及幾何形態，解決了由于沉積環境標志的復雜性問題，使得沉積環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。首先耗時較長，需要研究人員長期呆在實驗室進行觀察測控，若實驗過程中錯過了調控時間的時間節點，則會導致實驗的失敗。其次必須要嚴格按照幾何相似、運動相似及動力相似理論來建立模型。最后花費較大，要進行一個沉積物理模擬則需要大量砂體以及進行多個實驗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 沉積物理模擬的應用

沉積物理模擬技術利用水槽實驗在水文、地理、水電等方面被廣泛應用。在油田生產開發中，基于實際情況，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動態模擬。這項技術也為學者研究地質建模提供了依據。

20世紀70年代的末期，長春地質學院建立了國內第一個玻璃水槽（長6 m，寬25 cm，高80 cm）來用于研究底形的形成和發展。20世紀80年代末期，中國地質研究所建立了底形可以調節的玻璃水槽（長12 m，寬30 cm，高60 cm）。但由于種種原因，上述兩個實驗室均于20世紀90年代初期被廢棄。由于國外沉積模擬實驗的蓬勃發展以及砂體預測技術的應用，1990年中國石油天然氣總公司（CNPC）在長江大學建立了集科研與教學為一體的湖盆沉積模擬實驗室（水槽長16 m，寬6 m，深0.4 m）。利用該裝置，何維領［3］研究了不同類型的辮狀河心灘壩發育的特征，認為底形的坡度、水流的強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不同，為后續古辮狀河心灘壩的研究提供了理論基礎。朱永進［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，解決了油田在開發過程中對于砂體儲存的成因機制不清的問題。斜坡沉積體系中的砂質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之一，隨著陸內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域。在此基礎上，劉忠寶［5］運用沉積模擬技術，利用水槽實驗，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展的控制因素，分析了其搬運方式，演化特征與沉積規律，為油田勘探降低了開發風險，提高了生產效率。

2003年，中國石油大學華東校區建立了長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，發現了4種滑塌濁積巖，形成的原因為無觸發的天然重力、地震、波浪以及底形變化［6］。

運用沉積物理模擬技術來正演出沉積過程的動態模擬，具體流程如圖1所示。

圖1 沉積物理模擬流程圖

總體來說，雖然物理模擬技術在我國的發展比較短暫，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，并通過截取砂體的一些剖面，進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提取出來，用于建立地質知識庫，為以后地質工作提供了定量參數。

3 結束語

沉積物理模擬技術為進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行檢測、再現其動態演變的歷史，而且可以為后續地質工作起到一個指導作用。雖然沉積物理模擬技術在我國發展短暫，但基于國外沉積物理模擬技術取得的諸多成果，應吸取其中的方法與經驗，在其建立地質模型的水槽上可以有進一步的優化，進而建設出更加合理且操作簡單的水槽實驗室，可適用于不同沉積環境的模擬，對于模擬失敗的實驗，可以分析其中原因，重新建立地質參數，為沉積地質建模提供更多的科學依據。

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

［2］齊亞林.內陸湖盆沉積過程物理模擬的動力學分析[C].中國礦物巖石地球化學學會.中國礦物巖石地球化學學會第17屆學術年會論文摘要集.中國礦物巖石地球化學學會:中國礦物巖石地球化學學會，2019.

［3］何維領. 基于水槽沉積模擬實驗的不同類型辮狀河心灘壩發育特征及主控因素分析[J]. 東北石油大學學報，2019（6）：13-22.

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

［5］劉忠寶. 牽引流砂質載荷沿陡坡滑動形成碎屑流沉積模擬研究[J].石油天然氣學報，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]. 沉積學報，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：地質工程。

P512.2

A

1004-0935（2020）07-0812-02