基于数值模拟的洞庭湖“满盆富砂”沉积过程研究

宋亚开 官大勇 张兴强

摘      要： 相模式的研究是石油地质勘探与开发的重要方面。洞庭湖作为满盆富砂的重要研究对象，前人做了大量的研究工作，对其沉积体系发育过程的影响因素目前尚不十分清楚，本文基于泥沙水动力学的数值模拟方法，结合现代沉积的泥沙、水动力参数，模拟了单物源和多物源对洞庭湖浅水湖盆的充填过程，分析不同物源条件下沉积过程的水动力状况以及砂体的展布规律，结合洞庭湖地区的卫星图片分析形成“满盆砂”的控制因素。通过沉积过程分析认为，多物源条件是形成“满盆富砂”的重要条件，多物源条件下，物源相互衔接使得盆地水体能量能够维持在较高水平，使三角洲能够分布整个盆地。在单一物源条件下，盆地水体从物源口向盆地逐渐减弱，三角洲分布在物源口处，形成局限的三角洲体系。通过研究为相模式的研究提供了一种新的研究思路与方法，对石油勘探开发具有重要的研究意义。

关  键  词：相模式;沉积过程;数值模拟

中图分类号：TE 19       文献标识码： A       文章编号： 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

油氣勘探开发中有利储集体的分布和有利区块的确定都与盆地内沉积相的类型及其展布有密切的联系。因此，沉积相研究作为油气勘探开发中的基础重要环节，对于盆地内油气的勘探具有重要的意义。“满盆富砂”这种特殊模式在2007年早已被周新科、许化政等[1]提出，认为湖平面的高频振荡是形成“满盆富砂”的主控因素;同年杨西燕等[2]对鄂尔多斯盆地乌审旗气田中二叠统下石盒子组盒8段下亚段进行了沉积微相的研究，脉动式的湖进过程是形成“满盆富砂”的主要条件;2009年冯兴雷[3]等对大王北洼陷沉积相进行研究时认为满盆砂形成于水浅有波浪以及风暴的条件下;在2015年肖冬生[4]等对台北凹陷浅水三角洲沉积进行了研究，认为地形缓、湖平面频繁波动是形成“满盆富砂”的主要条件。目前“满盆富砂”这种模式主要认为是在浅水湖平面频繁波动下形成;但是物源作为重要的沉积因素，目前少有人对其进行讨论研究。

基于前人的研究，本文通过Delft沉积数值模拟软件，运用过程沉积学的原理和方法对西洞庭的沉积进了单物源和多物源的模拟，从而对“满盆富砂”的现象进行模拟和验证，并提供新的证据，有利于“满盆富砂”模式的发展完善。

1  模拟区概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江荆江河段南部，地跨湖南、湖北两省，洞庭湖北有松滋、太平、藕池和调玄四口（1958年堵闭）分泄来自长江的水砂，西南有湘水、资水、沅水、澧水四水汇入，经湖泊由城陵矶注入长江[5-6]。2010年柏道远等人经过对《1∶25万岳阳市幅区域地质调查报告》的调研认为洞庭盆地晚更新世以来沉积总厚度一般为5～20 m，局部可达50 m，总体自盆地边界向盆地中央增厚[7]。洞庭湖呈现畅流湖盆[8]、河网遍布的地貌特点，东、南、西三面被山环绕，北部敞开的马蹄形盆地，盆地西北高，东南低;最大水体深度18.67 m，平均水体深度6.39 m。本次模拟的区域为西洞庭湖的部分区域。从地层上来看，第四系总厚200.11 m，自下而上发育5套地层，据2009年柏道远等[9]对洞庭盆地澧县凹陷第四纪沉积研究中认为，盆地整体发育中粒砂岩到砾质砂岩，泥质组分发育较少。

2  模型的建立

2.1  模拟区域的设定

为了让模拟条件更符合实际沉积过程，考虑到洞庭湖所处于盆地发育的末期[10]，分为西、东、南3个子洞庭湖，其流场各自分布，其中南洞庭湖为各个物源的汇流区域，因此本次模擬区域定为南洞庭湖，将洞庭湖西北物源的四口合并为一个物源，在西南四水合并为西南物源，其东北部为盆地的出水位置。在Delft 3D中Grid模块的RGFGRID中，笛卡尔坐标系下建立了42 210（共21 210个）曲线网格，对模拟区进行模拟，力求对南洞庭的沉积过程进行等比例的模拟实验，如图1所示。

2.2  初始地貌的搭建

在网格搭建的基础上，结合文献研究以及洞庭湖区卫星图片的研究分析，在Google地球中对研究区进行地形的刻画，发现在剖面图中研究区在南北方向上呈现北陡南部宽缓的样式，在东西方向上呈现从西向东逐渐加深最终在出口附近有变浅的样式。已知洞庭湖的平均水深为6 m，由此模拟所用的地形为从西向东先变深后变浅、从北向南形成北岸缓南岸陡的沉积地貌，对模拟区的地形进行了设定，保证模拟初始地貌的合理性。

为了探究“满盆富砂”的形成机理，在满足坡缓水浅、沉积物供给充分的前提下，对物源的条件进行模拟研究，边界条件设置为两种，一种单物源对湖盆的充填过程，一种是多物源对盆地的充填过程。其中多物源是在单物源的基础上增加了入口2和入口3，从而研究多物源对沉积物沉积区域的控制，并模拟验证多物源对“满盆富砂”的控制作用。

2.3  沉积物参数的设定

在delft 3D中模型的主要参数为流量和泥沙，本文所采用的泥沙数据来自中华人民共和国水利部所公布的《2011年中国河流泥沙公报》。同时在尹辉、杨波等[11]对近60年洞庭湖泊形态与水沙过程的互动响应一文中，对1981-2006年实测的泥沙和泥沙粒径资料的分析，湖盆多年的平均沉积量为8.734×107 t，其中粒径为0.500 mm泥沙量为8.73×106 t·a-1，粒径0.050～0.250 mm泥沙量为2.835×107 t/a，粒径0.005～0.025 mm泥沙量3.188×107 t·a-1 [18]，通过分析得到其粗、中、细沙的比例为1∶3∶4 。因此在模型的参数设定中所采用的各种组分的比例为1∶3∶4，其流量数据根据前人研究各个物源口分配有所差异[12-13]，参数设定见表1。其中单物源的条件与多物源相比单物源是将入口1、入口2和入口3的流量和泥沙的含量的代数和作为入口1的边界条件。

3  模拟结果分析

3.1  剖面上的分析

横向上建立了顺物源的剖面（图2），分别对沉积物的形态特征进行描述和研究。图2a为多物源控制下的沉积剖面，图2b为单一物源控制下的沉积剖面。分析表明，单物源条件下沉积物先在河口区沉积，随着模拟时间的增加，逐渐向盆地进积从而形成向盆地推进的沉积楔状体，沉积物只在物源口发生沉积，沉积物在盆地的延伸距离有限（延伸距离25～30 km），在物源口位置由于流量大河道剥蚀能量很强（图2b，5 km处），河道的下蚀能力明显强于多物源。

从图2a中发现，在主水流方向与水体的能量衰减最慢的方向一致时，其沉积物的进积距离是最长，一直延伸到了盆地的中央;在35 km处由于河道的存在比其他的区域水体的能量要高，因此沉积物没有沉积反而被剥蚀掉，出现沉积物厚度减薄的现象。在图2b中，沉积物的厚度（8 m）明显比多物源（图2a）要厚，相反沉积物的展布范围要小很多。

在纵向上建立了垂直物源的剖面，并分别对其进行了分析和比较，下面是对纵剖面的分析及比较。

图3a为多物源控制下的沉积剖面，图3b为单一物源控制下的沉积剖面。从图中分析认为，随着沉积过程的进行在河口区发现河道的数量不断地增加，沉积物的厚度逐渐加厚，宽度不断加宽，随着沉积的不断发展河口区的坡度逐渐变缓，同样会导致河道分叉，数量增加。在单一物源的条件下，沉积物的供应充足，沉积物迅速堆积在入湖口，河道的分叉更加密集，在相同条件下沉积物的供应越充分在单位时间内沉积体的厚度越大，宽度越宽，分流河道也越发育。

3.2  平面上的分析

平面上建立了每种砂体的平面展布图，进行平面上的分析，砂体的平面分布见图4。

图4a为多物源控制下沉积物的平面分布图，图4b为单一物源控制下沉积物的平面分布图。在多物源条件下组分粒径为500 μm的沙质沉积物主要分布在图4a的3个位置。扇体1主要受控于物源1，在入口1处随着向盆地的推进河道分叉，水体能量逐渐降低，水体的负载能力下降，沉积物逐渐沉积下来;到达入口2时由于入口2的影响，水体的能量得以补充，负载能力得以恢复，加上沉积物的供给，砂体继续向盆地方向沉积，逐渐形成湖中心的扇体;扇体3主要受控于入口3，该区域由于距离入口2较远，因此砂体的连续性不如扇体1和扇体2，他们的影响很小。而在单物源控制的条件下沉积物的分布主要分布于物源口圆圈所示的位置，与多物源相比单物源的沉积物的分布更加集中，而在多物源条件下，沉积水体的能量由于多个位置的控制，水体的能量能够很好地补充，沉积物可以在盆地的各个位置沉积。

通过分析认为，洞庭湖的沉积体主要受3个方向的物源的控制，包括西侧物源、西南物源、南物源，从而发育“满盆富砂”的沉积模式[14-17]，。

4  结束语

在沉积总量相同且单物源的控制条件下，沉积的模式由物源控制，可以分为两种情况：在单一物源下，由于水体能量的衰减，沉积物主要集中在入口位置沉积，并不能很好地向盆地中心运移，在入口附近形成浅水的三角洲沉积，而在湖盆中心位置没有砂质沉积物的沉积;在多物源的条件下，沉积物进入湖盆沉积的过程中，水体的能量及时得到补充时，河道的延伸进一步增加，将沙质沉积物从入口沿河道搬运到湖中心位置，使砂体的沉积位置会不断向湖中心位置靠近，最终在湖中心位置沉淀下来。

在敞流湖盆中各个物源口沉积相向前进积和推进，沉积体之间相互衔接沉积范围增加，分流河道相互交织向前延伸，多个物源使水体的势能可以得到很好的补充，能够延伸到盆地中央，因此在湖盆内以三角洲分流河道粗粒沉积物为主，泥质沉积物由于水体能量强，而被河流带出盆地，形成“满盆富砂”的现象。

数值模拟能够很好地反映沉积物的沉积过程以及对每个时间段内沉积物的分布，同时对河道分布也有很好的表征。因此基于计算流体力学的沉积数值模拟技术可以较好地再现浅水湖盆砂体的发育过程，其作为一项新技术对以后的沉积学研究具有重要意义，是沉积学研究由定性走向定量的一个有力工具。

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