基于數值模擬的洞庭湖“滿盆富砂”沉積過程研究

宋亞開 官大勇 張興強

摘 ? ? ?要： 相模式的研究是石油地質勘探與開發的重要方面。洞庭湖作為滿盆富砂的重要研究對象，前人做了大量的研究工作，對其沉積體系發育過程的影響因素目前尚不十分清楚，本文基于泥沙水動力學的數值模擬方法，結合現代沉積的泥沙、水動力參數，模擬了單物源和多物源對洞庭湖淺水湖盆的充填過程，分析不同物源條件下沉積過程的水動力狀況以及砂體的展布規律，結合洞庭湖地區的衛星圖片分析形成“滿盆砂”的控制因素。通過沉積過程分析認為，多物源條件是形成“滿盆富砂”的重要條件，多物源條件下，物源相互銜接使得盆地水體能量能夠維持在較高水平，使三角洲能夠分布整個盆地。在單一物源條件下，盆地水體從物源口向盆地逐漸減弱，三角洲分布在物源口處，形成局限的三角洲體系。通過研究為相模式的研究提供了一種新的研究思路與方法，對石油勘探開發具有重要的研究意義。

關 ?鍵 ?詞：相模式;沉積過程;數值模擬

中圖分類號：TE 19 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1733-05

Abstract： The study of facies model is an important aspect of petroleum geological exploration and development. It is the main direction of the study of geological deposition. In this paper， based on the research status of Dongting Lake and the related theoretical research of "full basin and rich sand" put forward by predecessors， using the numerical simulation method of sediment hydrodynamics， combining with the sediment and hydrodynamic parameters of modern deposition， the filling process of the shallow lake basin of Dongting Lake by single source and multi source was simulated， and the sedimentary process of the shallow lake basin of the West Dongting Lake was reproduced. The hydrodynamic state and the distribution law of sand body in the deposition process under different material source conditions were analyzed. Combined with the satellite images of Dongting Lake area， the controlling factors of forming "full basin sand" were analyzed. Based on the analysis of sedimentary process， the evolution characteristics and distribution patterns of sand bodies under the control of single source and multi source were studied， and the sedimentary process of "full basin sand rich" mode was successfully reproduced. It was considered that the provenance conditions played an important role in controlling the sedimentary model of sand rich basin. The paper can provide a new research idea and method for the study of facies model， which is of great significance for oil exploration and development.

Key words： Phase mode; Sedimentary process; Numerical simulation

油氣勘探開發中有利儲集體的分布和有利區塊的確定都與盆地內沉積相的類型及其展布有密切的聯系。因此，沉積相研究作為油氣勘探開發中的基礎重要環節，對于盆地內油氣的勘探具有重要的意義?！皾M盆富砂”這種特殊模式在2007年早已被周新科、許化政等[1]提出，認為湖平面的高頻振蕩是形成“滿盆富砂”的主控因素;同年楊西燕等[2]對鄂爾多斯盆地烏審旗氣田中二疊統下石盒子組盒8段下亞段進行了沉積微相的研究，脈動式的湖進過程是形成“滿盆富砂”的主要條件;2009年馮興雷[3]等對大王北洼陷沉積相進行研究時認為滿盆砂形成于水淺有波浪以及風暴的條件下;在2015年肖冬生[4]等對臺北凹陷淺水三角洲沉積進行了研究，認為地形緩、湖平面頻繁波動是形成“滿盆富砂”的主要條件。目前“滿盆富砂”這種模式主要認為是在淺水湖平面頻繁波動下形成;但是物源作為重要的沉積因素，目前少有人對其進行討論研究。

基于前人的研究，本文通過Delft沉積數值模擬軟件，運用過程沉積學的原理和方法對西洞庭的沉積進了單物源和多物源的模擬，從而對“滿盆富砂”的現象進行模擬和驗證，并提供新的證據，有利于“滿盆富砂”模式的發展完善。

1 ?模擬區概況

洞庭湖位于湖南省北部、長江荊江河段南部，地跨湖南、湖北兩省，洞庭湖北有松滋、太平、藕池和調玄四口（1958年堵閉）分泄來自長江的水砂，西南有湘水、資水、沅水、澧水四水匯入，經湖泊由城陵磯注入長江[5-6]。2010年柏道遠等人經過對《1∶25萬岳陽市幅區域地質調查報告》的調研認為洞庭盆地晚更新世以來沉積總厚度一般為5～20 m，局部可達50 m，總體自盆地邊界向盆地中央增厚[7]。洞庭湖呈現暢流湖盆[8]、河網遍布的地貌特點，東、南、西三面被山環繞，北部敞開的馬蹄形盆地，盆地西北高，東南低;最大水體深度18.67 m，平均水體深度6.39 m。本次模擬的區域為西洞庭湖的部分區域。從地層上來看，第四系總厚200.11 m，自下而上發育5套地層，據2009年柏道遠等[9]對洞庭盆地澧縣凹陷第四紀沉積研究中認為，盆地整體發育中粒砂巖到礫質砂巖，泥質組分發育較少。

2 ?模型的建立

2.1 ?模擬區域的設定

為了讓模擬條件更符合實際沉積過程，考慮到洞庭湖所處于盆地發育的末期[10]，分為西、東、南3個子洞庭湖，其流場各自分布，其中南洞庭湖為各個物源的匯流區域，因此本次模擬區域定為南洞庭湖，將洞庭湖西北物源的四口合并為一個物源，在西南四水合并為西南物源，其東北部為盆地的出水位置。在Delft 3D中Grid模塊的RGFGRID中，笛卡爾坐標系下建立了42 210（共21 210個）曲線網格，對模擬區進行模擬，力求對南洞庭的沉積過程進行等比例的模擬實驗，如圖1所示。

2.2 ?初始地貌的搭建

在網格搭建的基礎上，結合文獻研究以及洞庭湖區衛星圖片的研究分析，在Google地球中對研究區進行地形的刻畫，發現在剖面圖中研究區在南北方向上呈現北陡南部寬緩的樣式，在東西方向上呈現從西向東逐漸加深最終在出口附近有變淺的樣式。已知洞庭湖的平均水深為6 m，由此模擬所用的地形為從西向東先變深后變淺、從北向南形成北岸緩南岸陡的沉積地貌，對模擬區的地形進行了設定，保證模擬初始地貌的合理性。

為了探究“滿盆富砂”的形成機理，在滿足坡緩水淺、沉積物供給充分的前提下，對物源的條件進行模擬研究，邊界條件設置為兩種，一種單物源對湖盆的充填過程，一種是多物源對盆地的充填過程。其中多物源是在單物源的基礎上增加了入口2和入口3，從而研究多物源對沉積物沉積區域的控制，并模擬驗證多物源對“滿盆富砂”的控制作用。

2.3 ?沉積物參數的設定

在delft 3D中模型的主要參數為流量和泥沙，本文所采用的泥沙數據來自中華人民共和國水利部所公布的《2011年中國河流泥沙公報》。同時在尹輝、楊波等[11]對近60年洞庭湖泊形態與水沙過程的互動響應一文中，對1981-2006年實測的泥沙和泥沙粒徑資料的分析，湖盆多年的平均沉積量為8.734×107 t，其中粒徑為0.500 mm泥沙量為8.73×106 t·a-1，粒徑0.050～0.250 mm泥沙量為2.835×107 t/a，粒徑0.005～0.025 mm泥沙量3.188×107 t·a-1 [18]，通過分析得到其粗、中、細沙的比例為1∶3∶4 。因此在模型的參數設定中所采用的各種組分的比例為1∶3∶4，其流量數據根據前人研究各個物源口分配有所差異[12-13]，參數設定見表1。其中單物源的條件與多物源相比單物源是將入口1、入口2和入口3的流量和泥沙的含量的代數和作為入口1的邊界條件。

3 ?模擬結果分析

3.1 ?剖面上的分析

橫向上建立了順物源的剖面（圖2），分別對沉積物的形態特征進行描述和研究。圖2a為多物源控制下的沉積剖面，圖2b為單一物源控制下的沉積剖面。分析表明，單物源條件下沉積物先在河口區沉積，隨著模擬時間的增加，逐漸向盆地進積從而形成向盆地推進的沉積楔狀體，沉積物只在物源口發生沉積，沉積物在盆地的延伸距離有限（延伸距離25～30 km），在物源口位置由于流量大河道剝蝕能量很強（圖2b，5 km處），河道的下蝕能力明顯強于多物源。

從圖2a中發現，在主水流方向與水體的能量衰減最慢的方向一致時，其沉積物的進積距離是最長，一直延伸到了盆地的中央;在35 km處由于河道的存在比其他的區域水體的能量要高，因此沉積物沒有沉積反而被剝蝕掉，出現沉積物厚度減薄的現象。在圖2b中，沉積物的厚度（8 m）明顯比多物源（圖2a）要厚，相反沉積物的展布范圍要小很多。

在縱向上建立了垂直物源的剖面，并分別對其進行了分析和比較，下面是對縱剖面的分析及比較。

圖3a為多物源控制下的沉積剖面，圖3b為單一物源控制下的沉積剖面。從圖中分析認為，隨著沉積過程的進行在河口區發現河道的數量不斷地增加，沉積物的厚度逐漸加厚，寬度不斷加寬，隨著沉積的不斷發展河口區的坡度逐漸變緩，同樣會導致河道分叉，數量增加。在單一物源的條件下，沉積物的供應充足，沉積物迅速堆積在入湖口，河道的分叉更加密集，在相同條件下沉積物的供應越充分在單位時間內沉積體的厚度越大，寬度越寬，分流河道也越發育。

3.2 ?平面上的分析

平面上建立了每種砂體的平面展布圖，進行平面上的分析，砂體的平面分布見圖4。

圖4a為多物源控制下沉積物的平面分布圖，圖4b為單一物源控制下沉積物的平面分布圖。在多物源條件下組分粒徑為500 μm的沙質沉積物主要分布在圖4a的3個位置。扇體1主要受控于物源1，在入口1處隨著向盆地的推進河道分叉，水體能量逐漸降低，水體的負載能力下降，沉積物逐漸沉積下來;到達入口2時由于入口2的影響，水體的能量得以補充，負載能力得以恢復，加上沉積物的供給，砂體繼續向盆地方向沉積，逐漸形成湖中心的扇體;扇體3主要受控于入口3，該區域由于距離入口2較遠，因此砂體的連續性不如扇體1和扇體2，他們的影響很小。而在單物源控制的條件下沉積物的分布主要分布于物源口圓圈所示的位置，與多物源相比單物源的沉積物的分布更加集中，而在多物源條件下，沉積水體的能量由于多個位置的控制，水體的能量能夠很好地補充，沉積物可以在盆地的各個位置沉積。

通過分析認為，洞庭湖的沉積體主要受3個方向的物源的控制，包括西側物源、西南物源、南物源，從而發育“滿盆富砂”的沉積模式[14-17]，。

4 ?結束語

在沉積總量相同且單物源的控制條件下，沉積的模式由物源控制，可以分為兩種情況：在單一物源下，由于水體能量的衰減，沉積物主要集中在入口位置沉積，并不能很好地向盆地中心運移，在入口附近形成淺水的三角洲沉積，而在湖盆中心位置沒有砂質沉積物的沉積;在多物源的條件下，沉積物進入湖盆沉積的過程中，水體的能量及時得到補充時，河道的延伸進一步增加，將沙質沉積物從入口沿河道搬運到湖中心位置，使砂體的沉積位置會不斷向湖中心位置靠近，最終在湖中心位置沉淀下來。

在敞流湖盆中各個物源口沉積相向前進積和推進，沉積體之間相互銜接沉積范圍增加，分流河道相互交織向前延伸，多個物源使水體的勢能可以得到很好的補充，能夠延伸到盆地中央，因此在湖盆內以三角洲分流河道粗粒沉積物為主，泥質沉積物由于水體能量強，而被河流帶出盆地，形成“滿盆富砂”的現象。

數值模擬能夠很好地反映沉積物的沉積過程以及對每個時間段內沉積物的分布，同時對河道分布也有很好的表征。因此基于計算流體力學的沉積數值模擬技術可以較好地再現淺水湖盆砂體的發育過程，其作為一項新技術對以后的沉積學研究具有重要意義，是沉積學研究由定性走向定量的一個有力工具。

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