河口坝成因主控因素分析实验模拟

石富伦,刘忠保,李少华,郭长春,史敬华

(1.长江大学地球科学学院,湖北 武汉 434023;2.胜利油田地质科学研究院,山东 东营 257015)

河口坝砂体是在河流入湖或入海处,受河口作用控制而形成的三角洲前缘储集砂体之一。Coleman JM提出了决定河口作用的三个基本要素,即惯性因素、摩擦因素和浮力因素[1]。Postma结合惯性、摩擦和浮力因素,考虑到蓄水体深浅、坡度的陡缓、注水速度、潮汐能量大小等对河口作用的影响进行了深入研究[2-4]。基于前人研究,本文以胜坨油田为例,对胜坨油田沙二段8砂组辫状河三角洲沉积深入探讨,重点对三角洲前缘河口坝发育的影响因素进行研究,剖析了实验条件下影响河口坝发育的主控因素。

1 实验方案设计及实施

根据胜坨油田沙二段8砂组构造、地层、古地貌、古气候、水介质、岩石相类型和沉积类型等要素的特征[5],经相似准则转化为物理模型[6-7]。该模型平面比尺为1∶1000、垂向比尺为 1∶200,活动底板沉降比尺1∶400。通过确定边界条件、物源特征、来水时间、流量、加砂量、湖水位与活动底板升降等模型参数控制,进行实验沉积过程和砂体三维内部结构解剖的实验。

1.1 实验方案设计

胜坨油田沙二段8砂组为辫状河三角洲沉积,选择模拟区域长9 km,宽6 km,设定模拟实验平面比例尺为1∶1000,垂向比例尺为1∶200,实验装置内Y方向2.5 m处为青坨子凸起物源,Y方向小于4.5 m为固定河道区,4.5 m～12 m为湖盆沉积区,自NE至SW单斜坡展布的底形坡降为2°～4°(图1)。沙二段8砂组分为3个中期基准面旋回,对应81、82、83三个小层,设计厚度从大到小依次为83期、82期、81期。工区岩性特征为,泥粉砂47.3%,细砂44.0%,中砂8.0%。模拟用沙为长江河道内的石英砂,粒径比尺接近1∶1,即实验用沙粒径级配与工区实际岩性特征相近,根据不同来水特征选用不同沙粒级配,洪水期中砂20%、细砂40%、泥粉砂40%,中水期中砂10%、细砂45%、泥粉砂45%,枯水期细砂50%、泥粉砂50%。设计最大沉降达15cm,砂体总厚度为56.4cm,沉降比尺接近1∶400。实验设计洪水、中水和枯水期流量比例为3∶2∶1,时间比例为1∶2∶1。

图1 水槽模拟实验装置

1.2 实验沉积过程及切片过程实施

三个沉积期分别按中水-洪水-中水-枯水顺序交替进行,各沉积期沉积用时、沉积水深、第1～4排活动底板升降柱沉降量及最终砂体延伸范围见表1。模拟结果切片采用25cm×25cm网格进行,根据实验情况划分了17条纵剖面,28条横剖面。

表1 胜坨油田沙二段8砂组模拟实验沉积过程

2 河口坝形成与演化的主要控制因素分析

胜坨油田沙二段8砂组属于深水三角洲沉积,湖盆水体为淡水,因此胜坨油田辫状河三角洲前缘河口坝沉积属于以为惯性力起主导作用的河口沉积模式。除了惯性力作用对河口坝影响外,河口坝发育主要受底形坡度、物源供给、流量大小、构造沉降及沉积水深等五个主要因素控制。

2.1 底形坡度

底形坡度最直接的影响是湖泊水体的水深变化,坡度越陡,水深变化越大,快速堆积的河口坝砂体厚度变化也越大,伏于下方泥质沉积物在河口坝砂体重力作用下发生蠕动[8],河口坝形态被挤压或拉伸(图2)。沉积厚度进一步增加,在重力作用或者水位下降的情况下,三角洲前缘发生滑塌,形成浊流沉积,致使河口坝不易形成和保存[9-12]。底形坡度平缓的沉积环境中,水系发散,河口坝分布范围广且厚度稳定,有利于河口坝砂体大面积连片发育,并有利于砂体保存。

2.2 物源供给

物源供给是形成河口坝的物质条件,只有当沉积速率大于基底沉降速率,以及河流提供沉积物的速度比由当地盆地作用再分配的速度要快,河口处堆积的沉积物得以保存,才能形成河口坝[3]。在实验条件下,沉积湖盆无波浪、潮汐等再分配作用营力,沉积速率远大于基底沉降速率,有利于河口坝发育。但在物源供给充足、输沙平衡和供给不足情况下,河口坝发育情况有所不同。

图2 河口坝挤压-拉伸示意图

物源供给充足情况下,河流不足以带走所有的沉积物,致使河道淤塞,河床升高,河流溢岸沉积,形成很多支小流量河流甚至水流呈片状流动而无明显河岸,形成单个河口坝规模较小,河口坝连片性较好(图3(a))。输沙平衡状态下,河流不会发生淤塞和下切作用,发生侧向侵蚀作用,分流河道发育数量较少,单一分流河道汇聚更多流量,可形成规模较大的河口坝(图3(b))。物源供给不足,河流同时垂向和侧向切割早期沉积砂体,河道两侧砂体连片出露,河口坝发育规模小,生长速率慢。(图3(c))。

图3 不同物源供给状态下河口坝发育示意图

2.3 流量大小

流量大小对单一河口坝规模及砂体内部粒度分布特征影响较大。洪水搬运能力强,是形成河口坝的主要时期,河流呈强片流、强分流流动特点,在靠近湖盆端形成强分流区,分流河道发育众多,单一分流河道流量大,河口坝规模也较大,同期发育河口坝相互叠置呈连片状(图4(a))。中水流量有限,河口坝规模大小不一,呈现因单一河流摆动而形成的不同期河口坝叠置形式(图4(b))。枯水环境下河流流量低,多数河流水量减少甚至断流,主要携带较细颗粒沉积物,形成细粒小规模河口坝(图4(c))。

洪水或中水条件下流量集中时流速较大[13],可达0.6 m/s～0.8 m/s,高流速有利于河流中跳跃、悬浮载荷在入湖处的粒度分异,河口坝砂体分选良好,反粒序现象明显(图5(a));枯水条件或者中水条件下因分流河道较多,单一分流河道流量少致使流速较低仅0.35 m/s～0.42 m/s,甚至更低,低流速不足以分异粗细颗粒,致使粗细颗粒均在河口坝处堆积,甚至粗颗粒沉积物沿前缘滚落,出现局部正粒序假象(图5(b))。

2.4 基底沉降

构造沉降影响着底形和水深的变化,进而影响河口坝的发育。沉积模拟实验通过活动底板的升降模拟构造沉降,活动底板下降,三角洲河口坝退积覆于早期河口坝之上。活动底板小幅下降,漫过早期河口坝的水域沉积水深实际变小,纵向发育速率明显大于横向,所沉积河口坝厚度较薄,长宽比,宽厚比都较大(图6)。

图4 不同流状态下河口坝发育示意图

图5 不同流速对河口坝内部砂粒的分异效果

图6 基底沉降对河口坝发育的影响示意图

2.5 沉积水体深度变化

沉积水深变化影响河口坝形态、厚度及保存状况。沉积水深稳定条件下河口坝垂向发育受限,砂体平面连续性较好(图7(a))。湖水位下降,河流溯源侵蚀,切割早期河口坝,并以被切割掉的沙粒物质作为新生成河口坝的物质来源(图7(b))。在沉积物供应速率相同情况下,沉积水体浅,河口坝发育厚度薄,但向前推进速度快;沉积水体深,河口坝厚度大,向前延伸速度慢(图8)。湖盆中沿Y方向是沉积水深逐渐增加的过程,随着水深的增加,因砂粒垂向填充湖盆距离的增大,三角洲向前推进的速率变缓。以第三沉积期为例,在Y=4.5m～8 m内,三角洲推进速率为0.17 m/h,Y=8m～10 m,速率为0.03 m/h,Y=10 m～11.5 m,速率为0.02 m/h,相应地河口坝生长速率也变缓。

图7 湖水位变化对河口坝发育的影响示意图

沉积水深对河口坝发育的厚度起决定作用。对剖面研究发现,河口坝厚度等于沉积水深加上水平面以上砂体厚度(图8)。图8中A处河口坝厚度H=H1+h=22.8cm。表2列出第二、第三沉积期河口坝厚度变化值,在第二期砂体覆盖第一期,第三期覆盖第二期部分,水体的快速增加导致河口坝厚度有一个突变值。

图8 沉积水深影响河口坝发育厚度示意图

表2 胜坨油田沙二段8砂组模拟实验第二、三沉积厚度

事实上,河口坝的发育不仅受单因素作用控制,更是受多因素共同影响,底形坡度和构造沉降共同决定沉积水深,进而影响河口坝厚度,湖水位的升降影响河口坝垂向叠置关系;流量大小与物源供给往往呈现正相关,成为影响河口坝发育速率、规模的重要因素。

3 结 论

应用沉积模拟实验技术,结合前人研究,在充分消化实际资料的基础上开展模拟实验,总结出了河口坝发育的主控因素,主要包括底形坡度、物源供给、流量大小、构造沉降和沉积水深等五个方面。底形坡度等河口坝保存状况有较大影响。物源供给是形成河口坝的物质条件,物源供给充足及输沙平衡状态下,河口坝以建设性为主,物源供应不足,河口坝底部遭受剥蚀。流量影响河口坝发育的规模,洪水期及中水期流量集中时,发育河口坝规模较大;枯水期及中水期物源供给充足时,发育河口坝规模较小;因流量引起的流速变化对河口坝内部砂粒分别有较大影响,高流速时河口坝反粒序明显,低流速对河口坝砂粒分选效果很差。基底会增加河口坝垂向叠置的复杂度。沉积水深对河口坝厚度起决定作用,沉积水深大,则河口坝厚度也较大;湖水位上升会导致薄层河口坝在垂向上叠置,湖水位不变河口坝连片性较好,湖水位下降河口坝顶部砂体遭受剥蚀。

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