X凹陷H组辫状河三角洲沉积模拟实验研究

李杨阳，高 鹏

(长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

0 前 言

辫状河三角洲的概念最早是由McPherson提出的，其定义为由辫状河体系流入到停滞水体中形成的富含砂和砾石的粗粒三角洲[1]。随着石油勘探开发的不断深入，证实了辫状河三角洲也含有较好的油气储集性能，因而受到广泛的关注。

近年来，中国学者在松辽盆地、柴达木盆地等含油气盆地中发现了辫状河三角洲沉积体[2-3]，并对辫状河三角洲的沉积体系等方面做了较多研究，但对辫状河三角洲砂体的形成过程和展布规律研究较少。本次研究在X凹陷H组现代沉积研究的基础上，通过水槽模拟实验，弄清了研究区辫状河三角洲砂体形成机理，为后期的地质建模和沉积模式的建立提供依据。

1 沉积模拟设计

1.1 模拟比尺

X凹陷H组含油面积为32～50 km2，考虑到实验装置的布局，本次实验扩大至60 km2，其中长10 km，宽6 km。X，Y方向的有效使用范围分别为为6 m和9.5 m。由于研究区是实验区的一部分，因此设置X、Y方向的比例尺为1∶3 000，Z方向上的比例尺为1∶1 000。

1.2 底型设计

研究区属于辫状河三角洲的一部分，工区主要发育水下分流河道。物源方向为北东方向和正东方向。Y=0～4.5 m为固定直河道，河道宽60 cm，深40 cm，坡降为10‰；Y=4.5～6.5 m为入湖引导区，坡降为8‰左右，其中主物源坡降为5‰，次物源坡降为15‰；Y=6.5～14 m为沉积区，坡降为3‰，底型设计示意图如图1所示。

图1 X凹陷H组辫状河三角洲实验底型设计

1.3 实验参数设计

通过对研究区流水的实地考察和统计规律，设计主、次物源洪水期、中水期和枯水期流量分别为3.7，1.9，0.7 L/s，洪水期、中水期和枯水期的时间比约为1∶2∶1。根据工区岩性特征，设计主物源以细砂为主，次物源以中砂为主。

2 模拟过程

依据相似原理再现X凹陷H 组的形成过程。模拟过程中，监控碎屑沉积体系的生长形态及演变规律。本次实验主要分为两期完成，累积进行了约238.5 h，每期实验根据不同要求按照中水期—洪水期—中水期—枯水期的顺序供水，根据自然规律控制流量时间和加沙量。

2.1 第1沉积期

第1沉积期主要模拟Hb小层，实验总共历时159.5 h，湖水位在11～18 cm之间变化。实验初期，主物源水流携带沉积物以牵引流方式进入湖区，砂体规模逐步扩大，并在入湖处形成三角洲雏形。在实验进行11～14 h期间，次物源放水，由于次物源坡度较陡，粒度较粗，次物源水流湍急，快速在入湖处形成砂体，砂体规模不大，但厚度较厚。第1沉积期中期，共模拟了两次湖侵和多次湖退过程，湖水位降低时，水流呈树枝状，水流下切作用明显，主要发育纵向砂坝和斜列砂坝；湖水位上升时，砂体纵向发育受阻，前缘平直，在近物源处以横向展布，垂向增厚为主。总体来说，第1沉积期以主物源放水为主，次物源与主物源砂体分界线明显，水流改道频繁，砂体整体发育均匀，厚度较厚，纵向延伸最远至9.9 m。

2.2 第2沉积期

第2沉积期主要模拟Ha小层，实验总共历时79 h，湖水位控制在18.5 cm左右。该期实验前19 h，湖水位控制在18.5 cm左右，次物源水流在出水口处冲出长舌状砂体，中水时期，水下分流河道发育，最多发育8条水下分流河道，河道规模较小；洪水期，水量变大，整个砂体被片流覆盖，右侧水流将主物源出水口主河道左侧泥表皮冲开，并形成凹坑。在实验进行19～49 h期间，湖水位略有上升，控制在19.5 cm左右，以中水和洪水为主，主物源放水，将沉积物带到湖区前端，砂体纵向最远处推至10.2 m。当实验进行至50 h时，次物源放水，观察发现，颗粒越粗，分流点越靠近物源位置；水流越大，分流点越向前推进，朵体夹角也随之变小。实验末期，主物源放水，砂体整体加厚，最终砂体到达最远处为10.3 m。总体来说，第2沉积期主、次物源各放水两次，在双物源交汇处，砂体切割、侵蚀，交汇频繁。

3 实验认识

各物源流量不同、坡降大小、粒度粗细、基底沉降，相对湖平面的变化等对砂体内部结构产生一定的影响。通过对实验的观察和分析，关于辫状河三角洲砂体成因得出如下结论。

1) 水流强及加沙量充足有利于砂体发育。

实验观察发现，流量为3.7 L/s，加沙量充足时，辫状河三角洲砂体发育速度加快，砂体整体加宽，伸长，变厚；流量为1.9 L/s，加沙量不足时，主要沿袭原有河道，发育细粒沉积，砂体表面沉积物重新分配，表现为“削高补低”。实验表明：当流量小和加沙量不足时，河道单一，水流对前期砂体进行改造，以下切、侵蚀为主；当流量强和加沙量充足时，砂体快速向前进积，砂体延伸范围扩大、沉积厚度加厚。因此流量强及加沙量充足有利于砂体发育。

2) 不同地形和粒度的有机组合控制着砂体厚度和平面展布范围。

坡降控制在3‰左右，粒度较细的主物源沉积从Y=5.8 m延伸至Y=8.8 m处，横向上展宽为3.8 m，在X=3 m、Y=7.5 m处，砂体垂向上增厚2.2 cm。坡降控制在8‰左右，粒度较粗的次物源沉积从Y=6.5 m延伸至Y=7.9 m处，横向展宽1.8 m，在X=1.5 m，Y=7.5 m处，砂体垂向上增厚8.3 cm。实验表明，次物源粒度较粗，分选差，坡度较陡，水流携带沉积物快速进入湖区，砂体纵向延伸距离较短，沉积厚度较大；主物源粒度较细，坡度较缓，砂体具有沉积厚度较薄，平面延伸范围较广的特点。因此地形较陡、粒度较粗有利于砂体垂向增厚，地形平缓、粒度较细有利于砂体平面展布。

3) 基底沉降影响着垂向上双物源砂体的叠置厚度。

构造运动基底沉降一方面给湖区砂体沉积提供了可容纳空间，另一方面导致河床坡降变大[4]。当第一沉积期进行到91 h时，活动底板第1排至第4排沉降量都为5 cm，在Y=7 m处可清晰见到基底沉降的界线。在Y=2.75 m纵剖面上，清楚可见，由于基底沉降，双物源砂体厚度明显变厚。实验表明，由于基底沉降导致河床坡降和可容纳空间变大，垂向上砂体发育，叠置厚度增大。因此基底沉降有助于垂向上双物源叠置砂体的发育。

4) 湖平面下降有助于平面上双物源砂体相互叠置。

实验过程观察：湖平面上升时，水流携带的砂体入湖，由于水进导致砂体前积受到阻力增大，使得三角洲砂体延伸距离变短，沉积物不断在靠近物源处堆积，导致垂向上的厚度增厚；湖平面下降时，水流携带的砂体入湖，由于惯性作用，砂体不断向远处推进，导致平面上砂体延伸面积明显增大。 实验研究表明，湖进时，发育退积式三角洲，砂体纵向延伸受阻，在近物源处以垂向加厚为主；湖退时，发育进积式三角洲，以纵向延伸为主，横向展宽，主、次物源砂体叠加面积不断增大。因此，湖平面下降有助于平面上双物源砂体相互叠置。

4 结 语

1)沉积模拟实验可以解决实际问题和重塑原型地质特征。根据相似原理设计实验参数，通过沉积模拟实验重演和再现研究区的实际过程，研究了辫状河三角洲砂体的主控因素、砂体内部结构等特征。

2)应用沉积模拟技术，结合前人研究表明水流强及加沙量充足有利于砂体发育；不同地形和粒度的有机组合控制着砂体厚度和平面展布范围，地形较陡、粒度较粗有利于砂体垂向增厚，地形平缓、粒度较细有利于砂体平面展布；基底沉降影响着垂向上双物源砂体的叠置厚度；湖平面下降有助于平面上双物源砂体相互叠置。

[1] McPherson J G, Shanmugam G. Fan deltas and braid deltas Varieties of coarse grainted detals[J]. Geological Society of America Bulletin, 1987(99): 331-340.

[2] 李彦芳, 车启鹏, 辛仁臣. 松辽盆地西部斜坡英台地区姚二、三段辫状河三角洲沉积特征研究[J]. 长春地质学院学报, 1993, 23(4): 405-410.

[3] 金振奎, 齐聪伟, 薛建勤, 等. 柴达木盆地北缘侏罗系沉积相[J]. 古地理学报, 2006, 8(2): 199-210.

[4] 张春生. 碎屑岩沉积模拟技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 2003.