缓坡浅水辫状河三角洲沉积模拟实验研究

刘忠保,罗顺社,何幼斌,尹太举,尚 飞,吕奇奇,罗进雄

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北 荆州 434023;2.长江大学地球科学学院,湖北 荆州 434023;3.中海油上海分公司,上海 200030)

缓坡型浅水辫状河三角洲是三角洲沉积体系中一种特殊的沉积类型,在我国鄂尔多斯盆地[1]、焉耆盆地[2]等均有发育,其形成的砂体被勘探实践证明是岩性油气藏勘探的重要目标之一。鄂尔多斯盆地在晚古生代沉积演化过程中,从石炭系本溪组至二叠系石千峰组各组均发育了多套储集砂体,目前,在太原组,山西组,石盒子组均发现了大气田,在本溪组和石千峰组也发现了若干个气藏。其中,储集砂体最为发育的层段为二叠系下石盒子组盒8段,该段储集砂体在盆地内表现为“广覆式大面积分布”的特征[3]。本文在前人研究基础上[4-12],运用水槽实验模拟分析方法,针对鄂尔多斯盆地苏里格地区二叠系中统下石盒子组盒8段,就辫状河三角洲形成及演变的主控因素进行探讨,并进一步剖析大面积砂岩连片分布机理,建立实验条件下辫状河三角洲沉积模式。

1 实验设计

鄂尔多斯盆地苏里格地区二叠系中统下石盒子组盒8段沉积期,盆地属南北向展布的矩形内陆坳陷盆地,古地形为北高南低的单斜,地形坡度小于1°,物源主要来源于盆地北部的阴山古陆,母岩成分东西部差异明显,其中西部为富石英物源,东部为富岩屑物源。发育缓坡型浅水辫状河三角洲沉积体系,砂岩粒度以粗砂为主,其次为中砂和细砾,分选与磨圆中等-好,多为次棱角-次圆状。根据研究区地质模型,结合实验室实际条件,建立物理模型,分阶段进行沉积模拟实验,并设计了详细的实验方案。

缓坡型浅水辫状河三角洲沉积模拟实验在水槽中进行(图 1),该水槽长16m,宽 6m,深0.8 m,距地平面高2.2 m,另有4块面积均为2.5 m×2.5 m=6.25 m2的活动底板组成活动底板系统,活动底板能向四周同步倾斜、异步倾斜、同步升降、异步升降(图2)。原始底形控制着沉积体系的展布[13]。本次实验以山西组沉积后的古地形为依据制作底形(图3),固定河道(y=0～ 3 m)坡降约0.6°,非固定河道(y=3 m～6 m)坡降约1.2°,活动底板区(y=6 m～15 m)坡降约0.3°,该底形设计与实际地质背景大致相符。考虑到实验过程的可操作性、水流的搬运能力以及洪水期、中水期、枯水期含沙量的变化,设计加砂组成(表1)。按照自然界中的一般规律[14],设计洪水、中水、枯水的流量比例为6∶3∶1,实验中选定洪水期流量为2.4 L/s,平水期流量为1.2 L/s,枯水期流量为0.4 L/s。设计活动底板的运动状况如表2所示,以保证形成沉积坳陷。

图1 沉积模拟实验装置示意图

2 实验过程

本实验共进行约250 h,分六轮完成,即模拟盒86、盒 85、盒 84、盒83、盒 82、盒 81 六个沉积期。每期均按中水—洪水—中水—枯水的顺序进行。每个实验沉积期湖水位不断变换,局部呈现为湖侵,总体上是一个湖退沉积过程。伴随着来水过程、加砂过程及湖平面等实验控制条件的不断改变,最终形成辫状河三角洲砂体大面积展布。

实验初期,水流沿袭原始河道携带泥砂快速在河道部位沉积,后逐步向湖区方向推进,并于入湖处形成三角洲雏形。此时,由于砂体处于生长初期,发育空间大,伸展速率较快。砂体形态初期规模较小,外形圆滑,呈钝舌状。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。洪水期由于流量增加,水流呈动平床状态,砂体发育快,粗颗粒可被搬运至湖区前端沉积。中水期流量相对降低,出现分支河道,砂坝出露,随着湖水位降低,水流下切明显。枯水期砂体进一步暴露,出露范围大,河流沿袭原切割较深的分流河道部位。湖水位上升后,砂体纵向发育受阻,前缘平直。湖水位较低后水流呈树枝状,水流下切作用明显,砂坝数量增多。这些控制条件的改变也较符合鄂尔多斯盆地苏里格地区盒8沉积期的环境变化实况。

图2 活动底板升降装置示意图

图3 原始底形设计示意图

表1 缓坡浅水辫状河三角洲沉积模拟实验加砂组成

表2 实验活动底板运动状况

3 实验结果

3.1 砂体形态分布

通过网格点(x方向30cm间隔,y方向50cm间隔)测量,分别绘制出了原始底形、每一沉积期砂体厚度等值线图和累计砂体厚度等值线图(见图4)。从图中可以看出不同沉积期有以下变化趋势:

(1)无论是单层砂体厚度还是砂体累计厚度,Y在7.5 m～11 m附近沉积较厚,说明该部位是三角洲沉积的主体,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对较薄;X在2.5 m～4.5 m附近(即两个物源的交汇处)沉积较薄;由于每一期沉积物向湖区延伸的砂体边界不一样,在第四沉积期、第五沉积期和第六沉积期的Y=11.0 m之后局部出现厚状砂体。

图4 实验原始底形及辫状河三角洲砂体厚度等值线图

(2)由于原始地形,水动力条件以及加砂量等因素的影响,第一沉积期的沉积物厚度是从物源方向向湖区逐渐变薄,其它几个沉积期都是逐渐变厚再变薄的趋势。

(3)三角洲砂体沿着本身物源方向或辫状河道的方向呈条带状或舌状分布,三角洲砂体厚度分布的尖朵体展布或指状展布方向代表了分流河道的走向及主砂带的展布方向。

(4)第一沉积期,河道主要在两侧摆动,在X=3.0 m,即两个物源的交汇处砂体沉积较薄;随着实验的深入,第二沉积期主河道向内侧移动,砂体横向分布较均匀;第三、四、五、六时期,砂体相互切割,侵蚀作用较强,砂坝非常发育,河道左右迁移、摆动、汇合频繁,最终形成面积大、范围广、沉积厚度较均匀的连片状砂体。

3.2 典型沉积构造

通过精细三维切片,发现辫状河三角洲层理类型较丰富,隔夹层明显,各沉积期纵向展布层次清晰易辨。常见层理类型有平行层理、交错层理。在纵剖面上可见湖成三角洲的三层结构,即底积层、前积层和顶积层(图5)。而在横剖面上可见大量的侧积交错层理(图6),层系规模为3cm～10cm不等,层系上下呈反S型,上下均收敛。交错层的迁移方向与水流方向垂直;层系厚度较大,规模也较大;沿冲刷面从底到顶粒度由粗变细,细层亦具有从下到上粒度由粗变细的特征。

图5 辫状河三角洲X=2.5 m,Y=10.0 m～10.5 m纵剖面图

图6 辫状河三角洲横剖面Y=9.5 m,X=3.0 m～2.5 m侧积交错层

3.3 沉积微相类型

通过对实验过程的监测,发现实验条件下,辫状河三角洲可划分为两个亚相、八个微相(表3)。以辫状河三角洲平原为主,三角洲前缘不太发育(图7),这是因为随着沉积过程的不断进行,坡度逐渐变缓,限制了辫状河三角洲前缘的发育空间,同时湖水对沉积物的顶托作用使沉积物搬运不远。

表3 实验条件下辫状河三角洲沉积微相类型

图7 实验条件下辫状河三角洲微相类型图

4 实验分析

4.1 辫状河三角洲形成与演变的主控因素

实验表明,基底沉降、湖水位、流量、加砂量(物源供给)等是影响盒8期辫状河三角洲形成及演变的主控因素。

湖区活动基底的沉降,造成床面坡降变大,提供了砂体沉积的可容纳空间,导致三角洲砂体垂向发育加快,厚度变大。

高湖水位期,分流河道不甚发育,分流河道数量少,朵体不发育,横向连片但规模较小;湖水位保持不变时,分流河道左右摆动,砂体以横向展布为主;湖水位降低时分流河道发育,砂体以顺流加积为主,长条状纵向砂坝明显增多。

洪水期水流强度大,搬运能力强,砂坝纵向伸展,延伸距离远;中水期对砂体以改造为主,砂坝类型多样,斜列砂坝发育;枯水期因水流较弱,砂体大范围暴露,主要沿袭原有河道发育细粒沉积,对砂体起细化作用[15]。

流量较稳定,加大输砂量,物源供给充足,辫状河三角洲发育速度加快,沉积过程加速。分流河道横向迁移频繁,斜列砂坝十分发育。流量较稳定,减少加砂量,物源供给不足时,辫状河三角洲以主河道发育为主,分流河道不发育,两侧断流或废弃。

4.2 大面积砂岩分布的主控因素

4.2.1 地形坡度

缓坡地质背景是大面积砂岩形成的重要基础。低坡度条件下水流速度缓慢,沉积物前积受阻,利于分流河道发育,河道以侧向迁移为主,砂坝与河道之间相互切割交替,横向连片,易形成内部结构复杂的大面积砂岩。

4.2.2 物源

物源供给充足是形成大面积砂岩的物质基础。物源供给充足,砂泥比大,砂体纵横向迁移加速,砂质主要在河口区沉积,形成朵状砂坝,砂坝迁移叠置形成连片砂体;物源供给不足,主河道发育,对砂坝以侵蚀改造为主。

4.2.3 水流强度

强水流是形成大面积砂岩的重要水动力条件。主要表现为砂体纵向延伸长及粗颗粒广布。水量较大且持续时间较长时,河流分支增多,多股水流携带泥砂整体向湖区推进。河道频繁迁移,入湖形成多个小朵体,侧向迁移,垂向叠置,砂体连片。此外,强水流造成粗颗粒分布范围广,搬运距离远,且以推移搬运为主。

4.2.4 湖水位的进退

湖水位频繁进退是形成大面积砂岩的重要控制因素。湖水位频繁进退影响着大面积砂体平面上的多期次相互叠置。湖水位较高,水流分散时,砂体全方位推进,横向展宽,纵向伸展;水流集中时,主河道发育,进积较快,砂体横向连片,但规模较小;湖水位相对稳定,分流河道改道、迁移频繁,砂体以侧向加积为主,横向连片;湖水位下降,可容纳空间变小,纵比降变大,顺流沉积加速,砂体前积,纵向伸展。

4.2.5 水系交汇

多水系的汇水是形成大面积砂岩的重要方式。多物源水系的交汇形成汇水水流,导致单层砂体厚度增大,其连片性增强,最终扩大了砂岩连片面积,形成大面积的砂岩分布。

4.3 沉积模式

实验研究表明,辫状河三角洲上游部位因物源区水流的惯性作用使水道顺直,以滞留沉积为主,是沉积物向湖区搬运的通道。辫状河三角洲中游部位河道宽且浅,分汊明显,主要发育纵向砂坝和斜列砂坝,辫状河三角洲下游,多股水道交织、分汊、汇合、再分汊,砂体横向连片,纵向伸展,主要发育河口砂坝、纵向砂坝和斜列砂坝。其中,辫状分流河道砂体纵向相互叠置,横向复合连片呈毯式大面积分布,垂向上对下伏沉积物具有明显的冲刷现象,显示了浅水辫状分流河道的沉积特征。在剖面和平面上基本呈透镜体分布,反映水浅流急,水动力强,砂体摆动频繁的特征;砂体旋回的顶部为保存不完整到相对完整的细粒沉积单元,反映出随着河流向着蓄水盆地的推进,水动力条件逐渐减弱。

结合原始地质模型,建立了实验条件下苏里格地区盒8段辫状河三角洲相模式图(图8)。

图8 辫状河三角洲沉积模式图

5 结 论

根据鄂尔多斯盆地苏里格地区盒8沉积期原型地质特征,结合现代沉积条件和已有的实验手段,开展了鄂尔多斯盆地苏里格地区二叠纪盒8段辫状河三角洲沉积模拟实验研究。实验发现,影响苏里格地区盒8期辫状河三角洲形成及演变的主要控制因素包括基底沉降、相对湖平面升降、流量及物源供给等。这些因素不仅控制着盆地内不同区域储集砂体的岩性特征,也控制着砂体的平面分布、厚度变化及其连片性。实验表明,缓坡地质背景、充足物源供给、强水流、湖水位频繁进退、多水系的汇水是鄂尔多斯盆地苏里格地区盒8段大面积砂岩分布的主要原因。结合原始地质模型和实验成果,建立了实验条件下苏里格地区盒8段辫状河三角洲沉积模式。

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