基于物理模拟的三角洲前缘横向砂坝发育过程及形成机理.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA基于物理模拟的三角洲前缘横向砂坝发育过程及形成机理王昕1，魏思源2，吕奇奇1，代榕3，呼焕1，毕宇航1，张丽雯1，梁岩1，张建坤41.长江大学地球科学学院，武汉 4301002.中国地质大学（北京）能源学院，北京 1000833.长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州 4340234.东华理工大学，南昌 330013摘 要 为探究波浪作用对三角洲前缘砂体的控制作用，并研究横向砂坝形成过程，利用物理模拟实验再现波浪作用下三角洲前缘砂体的发育过程。研究发现：波浪作用除了对三角洲河口沉积物影响外，还对已形成的三角洲前缘砂体有着侵蚀、改造的作用；受波浪、波生沿岸流及局部离岸流的影响，三角洲前缘砂体表面发育多期次平行于湖岸线展布的横向砂坝，其后部发育冲沟。沿岸流将波浪和河流带来的沉积物向砂坝两侧搬运沉积，使砂坝横向延伸；同时，波浪的强度、入射角度也决定了横向砂坝的规模及发育位置。经与鄂尔多斯盆地西南部长82三角洲沉积对比，反映出较好的耦合关系，表明该实验认识对波浪作用下三角洲前缘砂体发育样式研究有一定的指导意义。关键词 三角洲；波浪作用；沉积模拟；横向砂坝；沿岸流第一作者简介 王昕，女，1999年出生，硕士研究生，储层沉积学，E-mail:通信作者 吕奇奇，男，副教授，E-mail:中图分类号 P512.2 文献标志码 A0 引言 三角洲前缘是三角洲中砂岩的集中发育带，发育颇为丰富的砂体类型，其中包括水下分流河道、席状砂、河口坝和远砂坝等，同时也发育富含有机质的泥页岩，其共同形成的生储盖组合不但有利于油气的运移与聚集，在油气成藏中也极为重要16。在前人的研究中发现，三角洲的发育受湖平面升降、潮汐作用等多种因素的影响，致使沉积过程和砂体展布大有不同，而物理沉积模拟技术是研究这些内容的重要途径，该技术是一种从动态、正演的角度研究问题的技术手段，是其他实验技术无法替代的。前人在三角洲模拟实验研究方面已有较为成熟的经验712，深入研究了辫状河三角洲911、扇三角洲12中岸线位置、物源差异等因素对三角洲的控制，并分析了三角洲的沉积过程、沉积特征及储层构型。在近年的研究中发现，风场、波浪、沿岸流等因素对三角洲沉积过程产生较大影响。姜在兴等13对盆地体系风场物源沉积动力学的研究中发现，风力产生的湖波和湖流，影响了沉积体系的分布；刘翰林14在陇东地区长82段三角洲前缘研究中，提出在岸流和波浪的改造和筛选下，河口砂坝末端侧向迁移的过程；陈林等15在盆地西南部延长组长8油层组研究中，也强调了波浪强烈改造对水下分流河道及河口坝的影响；国外学者对于波浪作用及波浪产生的波生沿岸流，对岸线沉积物离岸、横向搬运进行了研究，并总结了波浪及沿岸流同河流流量之间的阻塞效应1620，I Lnne et al.21认为波浪造成了前缘砂体的垂向加积，而沿岸流造成了前缘砂体横向展布及迁移，Anthony22发现波浪、沿岸流及河口组成的小型环流系统控制着河口处沉积物的搬运，且河口处流量越小，波浪作用越明显。收稿日期：20210913；修回日期：20211028；录用日期：20211203；网络出版日期：20211203基金项目：国家自然科学基金项目（42102170）；长江大学大学生创新创业计划项目（Yz2020020）；江西省自然科学基金项目（20202BAB204035）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.42102170;Program of Innovation and Entrepreneurship for Undergraduates of Yangtze University,No.Yz2020020;Natural Science Foundation of Jiangxi Province,No.20202BAB204035DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.150文章编号：10000550（2023）03081810第3期王昕等：基于物理模拟的三角洲前缘横向砂坝发育过程及形成机理为正确认识波浪作用对三角洲前缘的影响，深入探讨波浪作用对三角洲前缘砂体的控制作用机理，运用物理模拟实验方法，研究陇东地区长82横向砂体的发育机理及分布特征，并建立相应的响应模式。这一研究不仅有助于进一步掌握波浪作用下三角洲前缘砂体的发育样式，而且对油气精细勘探和开发具有重要的指导意义。1 实验装置与实验设计 1.1实验原型分析本次实验以鄂尔多斯盆地西南部延长组长82三角洲沉积区为原型，受盆地的陇西古陆和秦岭古陆影响，研究区主要受西南和南部两大方向物源所控制，向盆地中心发育沉积类型依次为：辫状河三角洲平原辫状河三角洲前缘滨浅湖（图1）；在该沉积期湖盆底部形态，呈东北较缓、西南较陡的不对称特征，其中西部环县镇原一带最陡2326；气候主要为温暖润湿的亚热带季风气候。该时期三角洲沉积的岩石类型以细砂岩、粉砂岩、泥岩为主；砂岩分选性良好，粒度概率累积曲线主要为两段式；其中跳跃总体十分发育（累积含量为90%99%）、悬浮总体次之（10%）；跳跃组分存在两个次总体，反映了长82油层砂体沉积时期强烈的冲刷回流作用。其长82砂体展布受坡折和湖浪改造的双重控制，在三角洲平原前缘近端主力砂体呈条带状展布，而在三角洲前缘远端浅湖线附近主力砂体沿浅湖线一带呈坨状、片状横向分布27。1.2实验装置与底型设计本次物理模拟实验在长江大学CNPC沉积水槽模拟重点实验室完成。根据研究区湖盆底形特征及实验室条件，设计实验物源及底形如图2，其中西南部物源控制下的缓坡辫状河三角洲沉积区设计坡度为1 2，西部物源控制下的陡坡辫状河三角洲沉积区设计坡度为3 4；沉积区总规模为6 m12 m，X方向有效使用范围06.0 m，比例尺为1 30 000；Y方向有效使用范围5.512.0 m，比例尺为1 30 000；Z方向厚度比例尺为 1 100。Y=4.05.5 m 为固定河道区，不计入有效测量范围；Y=5.512.0 m为三角洲沉积区；Y=12.015.0 m为湖区。造浪装置选用固定频率喷射脉冲式造浪器，并置于Y=11 m附近，其1 m远处所测波长为20 cm、波高为4 cm。1.3实验方案设计根据研究区长82油层组砂岩粒度设置加沙组成如表1所示，其中西部物源粒度较粗，西南部物源粒度较细。按照自然界中的一般规律，设计洪水期、中水期、枯水期，其流量比例为6 3 1。根据研究区长82油层组沉积旋回特征，本次物理模拟实验共分5个沉积期次，每期实验按不同实验要求进行了中水期洪水期中水期枯水期的过程模拟。实验过程中各期实验条件及水动力参数见表2。为了对比研究波浪作用与河水流量相对强度差异对三角洲沉积特征差异，设置一期无浪对照组（Run1），设置两期弱浪组（Run2），设置两期强浪组（Run3），每期实验通过改变造浪的方向，对比波浪入射差异。在实验过程中，每个实验沉积期湖水位不断变换，局部呈现为湖退，总体上是一个湖侵的沉积过程。为了更加准确地观察和测量三角洲的沉积过程以及沉积的局部特征，实验时采取全程录像记录、图 1鄂尔多斯盆地长 82沉积相平面分布图Fig.1Plane distribution of sedimentary facies of Chang 82 in Ordos Basin819第41卷沉 积 学 报对重要实验现象进行拍照，在每轮沉积结束后铺设彩砂，并在实验结束后对三角洲沉积体采用25 cm25 cm网格进行三维切片分析。2 实验过程及结果 2.1实验过程描述实验共经历5个期次，在实验过程中持续记录，并详细记录了三角洲沉积过程及横向砂坝发育过程（图3）。2.1.1第一沉积期（Run1）模拟湖退条件下的辫状河三角洲形成过程，共经历两次“中水洪水中水枯水”来水过程，历时50 h（图3ad）。湖水位逐渐降低，变化范围（h）35.025.0 cm。中水期三角洲砂体表面发育一条主水道，随着主水流的频繁摆动，砂体发育的优势方向随之改变，砂体全方位发育，呈指状或鸟足状；枯水期分流河道非常发育，主要形成纵向砂坝、斜列砂坝以及河口砂坝；洪水期水流强度大，砂体表面大面积强片流，水流搬运较大颗粒向前推进，砂坝形态不明显。图 2鄂尔多斯盆地西南部长 82三角洲沉积模拟实验底形设计Fig.2Bottom shape design of sedimentary simulation experiment for Chang 82 delta in the southwest of Ordos Basin表1鄂尔多斯盆地西南部长82水槽模拟实验物源砂、泥组成Table 1Composition of source sand and mud in flume simulation experiment of Chang 82 in the southwest of Ordos Basin物源西部物源西南部物源加砂、泥组成体积百分比/%洪水期砾90中砂3525细粉砂4865泥810中水期砾50中砂2313细粉砂5972泥1315枯水期砾30中砂1810细粉砂6270泥1720表2鄂尔多斯盆地西南部长82水槽模拟实验期次及水动力参数设计表Table 2Design table of simulation experiment period and hydrodynamic parameters of Chang 82 in the southwest of Ordos Basin实验轮次Run1Run2-1Run2-2Run3-1Run3-2来水过程中水洪水中水枯水中水洪水中水枯水中水洪水中水枯水中水洪水中水枯水中水洪水中水枯水历时/min3 0002 4001 2002 4002 400流量/（L/s）0.91.50.90.30.91.50.90.30.91.50.90.30.61.20.60.20.61.20.60.2造浪器个数、造浪角度2个、正交2个、斜交4个、正交4个、斜交湖水位Z/cm、Y/mZ=35.025.0Y=6.59.5Z=30.0Y=8.59.0Z=30.0Y=8.59.0Z=25.0Y=9.09.5Z=25.0Y=9.09.5实验目的模拟河控三角洲水下分流河道、河口坝的形成在湖水位不变、流量和物源供给较大条件下，波浪较小情况下砂坝的形成在湖水位不变、流量和物源供给较小条件下，波浪较大情况下砂坝的形成820第3期王昕等：基于物理模拟的三角洲前缘横向砂坝发育过程及形成机理2.1.2第二、第三沉积期（Run21、Run22）第二、第三沉积期，分别模拟湖水位不变、流量和物源供给较大、波浪作用较小条件下，波浪与砂体正交（90）和斜交（60）时辫状河三角洲沉积发育过程。Run2-1：模拟流量（0.91.5 L/s），物源供给较大、波浪作用较小，波浪与砂体正交条件下横向砂坝形成过程，经历两次“中水洪水中水枯水”来水过程（图 3eh），历时 40 h，水位变化范围（h）25.523.5 cm。实验开始后河流沿袭Run1沉积期分流河道入湖，频繁摆动，先发育的河口坝叠置于早期河口坝之上，当三角洲发育到Y=7.5 m附近，波浪对三角洲的前积作用影响明显，河道向两侧偏转，以避开正面波浪的水动力干涉，原有指状的鸟足状砂坝发育不明显，三角洲前缘轮廓近水平状；当三角洲发育到Y=8 m处，波浪作用愈加明显，在河口两侧砂体上有明显的侵蚀现象，并携带沉积物在前缘砂体表面沉积下来，形成长条状薄层砂坝，并逆水流方向发育；当三角洲发育到Y=8.5 m附近，横向长条状砂坝垂向叠置明显，砂体形态清晰，肉眼可见；枯水期水流量较小，波浪作用愈加明显，除河口处少量区域外，其余前缘砂体表面均发育横向砂坝，河道选择在砂坝间隙流动并入湖；洪水期强片流作用携带大量较粗碎屑颗粒，横向砂坝被后来的沉积物覆盖，较好地保存下来。Run2-2：模拟