基于数值模拟的辫状河沉积模式

刘驰悦，张方利，张 琼，杨肖利，熊 格

（长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100）

我国油气勘探开发以陆相含油气盆地为主，陆相中的河流相储层在我国当前开发的各种储层中占比较大。河流相沉积砂体是油气储集的良好场所[1-5]，由于河流砂体岩性变化快，其内部储层物性的非均质性较为明显。垂向上以旋回下部河床亚相中的心滩砂质岩储油物性较好，向上逐渐变差；横向上透镜体中部储油物性较好，向两侧变差。心滩砂岩透镜体可形成良好的岩性圈闭油藏[6-8]。但对于辫状河至今尚未概况出得到大家认同的沉积模式[9-12]，常以加拿大魁北克省泥盆系巴特里角辫状河垂向序列作为辫状河沉积模式的代表。所以对辫状河形成机理和沉积模式进行研究尤为重要，本文将以数值模拟形式对辫状河心滩沉积特征进行研究，从而总结其形成机理和沉积模式。

1 辫状河

辫状河为多河道（见图1），而且多次分叉和汇聚构成辫状。河道宽而浅，弯曲度小，其宽深比值大于40，弯度指数小于1.5。河流坡降大，河道不固定，迁移迅速。沉积物搬运量大，以底负载搬运形式为主。发育于山区或河流上游河段以及冲积扇上。辫状河发育心滩，形成砂岩透镜体，是油气的聚集区[13]。

图1 辫状河示意图

目前对辫状河形成机理尚不十分清楚[14]，但比较统一的认识是辫状河具多河道、河床坡降大、宽而浅，侧向迁移迅速等特点。心滩的上游方向较陡，沉积物较粗，并遭受侵蚀作用，而下游方向较平缓，主要发生沉积作用。对称的螺旋形横向环流亦导致心滩发生侧向加积作用，由此而形成的巨波痕、大波痕等各种底形经过不断迁移，可形成各种类型的交错层理。

2 数值模拟

2.1 Delft3D 软件

Delft3D 是荷兰Delft 水力研究所研发的商用软件，主要应用于自由地表水环境。该软件具有灵活的框架，能模拟二维（水平面或竖直面）和三维的水流、波浪、水质、生态、泥沙输移及床底地貌，及各个过程之间的相互作用。

2.2 模型参数设定

本次模拟实验共设置9 组模型[15]，分别讨论河流流量、沉积物浓度、沉积物配比以及水位高度对辫状河沉积的影响（见表1）。

表1 实验组别及参数设置

2.3 数值模拟

2.3.1 河流流量 在其他沉积条件相同的情况下，设置河流流量分别为S1：12 500 m3/s、S2：13 500 m3/s、S3：14 500 m3/s 三组模型进行数据模拟，从不同流量的数值模拟图可知（见图2）。模拟至第200 d，S3 模型心滩仍未形成，而S1 模型和S2 模型心滩已十分发育；模拟至第300 d，S3 模型心滩虽然已形成，但其数量和规模均不及S1 模型和S2 模型。对比数值模拟结果发现，流量越大，沉积物越不容易沉积下来，致使心滩欠发育。

图2 不同河流流量条件下的模拟沉积图（左图第200 d，右图第300 d）

2.3.2 沉积物浓度 在其他沉积条件相同的情况下，设置沉积物浓度分别为S4：0.08 kg/m3、S2：0.16 kg/m3、S5：0.24 kg/m3三组模型进行数值模拟，从不同沉积物浓度的数值模拟图可知（见图3）。模拟至第200 d，S4模型心滩欠发育，而S2 模型和S5 模型心滩已十分发育；模拟至第300 d，S4 模型心滩虽然已形成，但其数量和规模均不及S2 模型和S5 模型。通过数值模拟发现，在相同时间节点内，泥沙量供给较低时，辫状河砂体发育缓慢，其平面展布面积随之较小；泥沙量供给较高时，坝体规模、沉积厚度均较发育。

图3 不同沉积物浓度条件下的模拟沉积图（左图第200 d，右图第300 d）

2.3.3 沉积物配比 在其他沉积条件相同的情况下，设置砂泥比分别为S6：3∶5、S7：4∶4、S2：5∶3 三组模型进行数值模拟，从不同沉积物配比的数值模拟图可知（见图4）。模拟至第200 d，S2 模型心滩欠发育，而S6 模型和S7 模型心滩已十分发育；模拟至第300 d，S2 模型水道发生迁移，而S6 模型和S7 模型其水道相当稳定。通过数值模拟发现，砂质含量较高，水道越不稳定，易发生改道与迁移；而泥质含量较高，水道稳定。

图4 不同沉积物配比条件下的模拟沉积图（左图第200 d，右图第300 d）

2.3.4 水位高度 在其他沉积条件相同的情况下，设置了水位上升（S8）和水位下降（S9）两组模型进行数值模拟，从不同水位变化的数值模拟图可知（见图5）。在心滩坝发育演化过程中随着水位的上升，坝体存在向物源方向退积现象；水位下降，砂体发育，坝体随着演化过程向前进积；在水平面稳定的情况下，坝体主要沿着水流方向延伸，整体形态呈“中间厚两端薄”的透镜状。

图5 水位变化条件下的模拟沉积图（左图第200 d，右图第300 d）

3 模拟结果

软件模拟结果表明：河流流量影响心滩的发育，流量越大，沉积物越不容易沉积下来，难以形成心滩砂坝。沉积物浓度越高，越易形成心滩砂坝，其规模及沉积厚度均较发育。高泥沙量有利于发育面积大、厚度大的心滩，当沉积物泥质含量较高时，水道相对稳定。水位变化是影响心滩发育方向的主要因素，在本次辫状河模型中，水位上升，心滩存在向物源方向退积的现象，水位下降，心滩发育，心滩随着演化过程向前进积，分析认为水位下降有利于心滩形成。

通过数值模拟结果分析认为：辫状河沉积模式以心滩砂坝为主，由于受沉积河流流量、沉积物浓度、泥沙比及水位等因素的影响，心滩砂坝在纵横向分布极不稳定，多为“中间厚两端薄”的透镜状。本次数值模拟只考虑了影响辫状河沉积的四种主要因素，其实大自然纷繁复杂，影响辫状河沉积因素较多，各种因素相互影响、互相叠加，使得辫状河沉积异常复杂和多样。

4 结论与认识

通过选取影响辫状河沉积的四种主要因素，设置9 组数值模型对辫状河沉积模式进行了研究，形成以下结论和认识：

（1）河流流量及沉积物浓度主要影响心滩形成速度和发育规模，泥沙比影响水道稳定，水位高低影响心滩退积或进积。

（2）基于数值模拟的辫状河沉积主要发育心滩砂坝，心滩上游由于水流侵蚀冲刷，不断减小，远端由于水体能量减弱，沉积物不断堆积，致使心滩不断往下游移动，形成“中间厚两端薄”透镜状砂体。

（3）数值模拟结果表明，心滩砂坝在横向上形成砂岩透镜体，岩性、物性变化大，储集物性较好的位于透镜体砂岩的中部，其储集层砂体厚度大，是油气勘探的“甜点”。

（4）由于影响辫状河沉积因素较多，各种因素相互叠加，使得辫状河沉积异常复杂和多样。