沉积过程模拟方法

沉积过程模拟为解决油气储层展布形态、规模和储集性能的问题提供了有力的手段。我国学者赖志云、张春生等也做了不少这方面的工作。沉积过程模拟可以分为物理模拟和数字模拟两种，物理模拟相比数字模拟而言相对成熟，国内数字模拟的研究落后于国外水平，目前只能以二维开展模拟研究，三维模拟还在研究之中。

1．物理模拟

在实验室内开展沉积模拟实验理论研究是沉积学研究的主要手段之一，也是开展定量沉积学研究的重要途径。模拟实验主要采用两种设计方法，即自然模型法和比尺模型法。自然模型法主要用于地质界特别是沉积学界的实验研究之中，而比尺模型法主要用于水利工程部门。模型试验是建立在相似理论基础之上的，只有模型和原型确实相似时，才能将模型试验的结果引申到原型中去。根据相似理论，模型与原型之间必须具备几何相似、运动相似和动力相似这3个基本条件。

自然模型法作为一个新的方法与原型联系起来进行模型设计，由维里坎诺夫于1950年首先提出，后来又被许多学者如安德烈也夫、亚罗斯拉夫和罗新斯基等发展完善。它的关键问题在于决定模型比尺。一般来讲，自然模型的比尺是以原型的某些特征值(如河宽、水深、流量、含砂量、沙滩迁移速度等)与模型相应的特征值对比后求得的。而在设计模型时由于缺乏模型的各项特征值，因此，可以先将模型小河段看作是小的原型，利用现有的水流运动、泥砂运动以及相互关系式进行初步计算，近似求出模型比尺。然后再在模型中实测各项特征值予以修改比尺。选择比尺时，除按公式计算外，还需要满足一定的条件，以避免模型与原型之间在造床方面的本质差别。

在储层随机建模中，砂体的几何形态是一个十分重要的参数。然而，由于受井距、地震资料分辨率的限制，很难准确地把握砂体的几何形态。沉积物理模拟实验的应用能够为不同沉积环境下储层砂体的形态提供一种有效的模拟手段。在油田开发后期一般静动态资料较多，可以利用较丰富的油田开发生产资料，建立精细的地质模型，分砂层组或单砂层开展模拟实验，并把实验结果与已有的静动态资料进行对比。如果在井点上实验结果与静动态资料所反映的砂体特征吻合程度较高，就可以认为实验结果是可靠的。对于井点之间原型砂体的特征可由实验砂体(模型砂体)对应井点之间的特征来描述，从而定量预测井间储层分布和非均质特征以及剩余油的分布规律(图4-2)。

2．数值模拟

20世纪60年代以来国际上对沉积过程的数字模拟开展了较深入的研究，特别是随着层序地层学的出现，该项技术取得了长足发展。在反复的实践中，国外的石油公司已经积累了应用沉积过程模拟技术进行油气勘探的经验，并逐渐得到国外地质工作者的认可。

图4-2 扇三角洲沉积过程物理模拟(贾爱林，1995;2000)

以4种模拟模型为主，可模拟碎屑岩、碳酸盐岩和它们的混合沉积。扩散模型将沉积物在水中的搬运和沉积看作是一种扩散作用，认为不同粒度的碎屑颗粒具有不同的扩散能力，一般认为粒度越小，扩散能力越大;流体动力模型通过求解描述流体运动的参数关系的Navier-stroke方程来描述沉积物的搬运、沉积和剥蚀，沉积颗粒的状态取决于其所在流体与颗粒间的剪切力和颗粒本身的性质;几何模型则利用经验公式来处理碎屑岩的沉积和搬运，碎屑颗粒的沉积比例与其搬运距离有关;而模糊模型允许地质学家根据自己的理解随意定义沉积物的搬运和沉积规律。而碳酸盐岩的模拟都利用碳酸盐岩的生长速率与水深的关系，一般认为其关系为指数衰减关系。

模拟方法以正演模型占主导，反演模型受关注。碎屑岩正演模型的子模型一般包括沉积搬运模型、构造沉降模型、负载沉降模型、压实模型、海/湖平面变化模型。其中沉积搬运模型的不同，主要在对不同沉积物的粒度处理不同。对于海相环境，海平面的变化对沉积层序有至关重要的作用，而对于面积较小的陆相湖盆，构造沉降的影响很大，甚至超过湖平面的作用。反演模型假定目前的状态是由一系列函数产生的，这些函数可以清楚地沿时间反向回溯。反演模型通过不断改变模拟参数来得到与实际资料接近的模型结果，当得到满意的模拟参数的时候，就可以用来模拟未知的地质过程或计算地质过程变量。这无疑在油气勘探中为层序地层的定量预测提供了更加准确的检验方法。

数值模拟与物理模拟相比，各有优缺点。数值模拟不受比尺和实验条件的限制，边界条件及其他条件可以自由确定，所有条件都以数值形式给出;数值模拟方法具有通用性，只要研制出适合的应用软件，就可以应用于不同的实际问题;数值模拟可以反复模拟，通过修改输入参数和边界条件，直到与实际地质现象吻合，这是物理模拟难以实现的。但是数值模拟必须先为它建立整套的控制方程和封闭条件以及有效的计算方法，如果建立的数学模型不能正确地反映沉积规律，数值模拟就不可能给出满意的结果。目前，沉积模拟研究的许多方面还得依靠经验，这些经验对数学模型的封闭也是不可少的，如果应用不当，就会脱离实际。

数值模拟的水流运动的基本方程建立在连续性方程和Navier-stroke方程基础上，该方法认为作为泥砂颗粒搬运动力的流场是碎屑沉积的重要基础。流体流速的大小，决定了泥砂颗粒的搬运、沉积和冲蚀。然而由于流场的计算需要花费较长的时间，加上河道砂体沉积过程的时间又比较长，则需要对流量过程进行简化。将自然界中的流量过程概化为洪水、平水、枯水过程，用多年平均流量过程线来代替自然界中的流量过程，目的是加快运算速度，从而模拟长期的地质沉积过程。图4-3为东濮凹陷东部洼陷带中部的白庙气田的数值模拟成果。根据地质研究，白庙地区Es下2、Es上3、Es中3、Es下3 属较深水环境的扇三角洲沉积，扇三角洲形成时沿兰聊断裂存在3个物源，其中北部物源相对较小，南部和中部物源相对较大，坡度较陡，达到3．5°～8°，沉积物以细砂、粉砂为主，砂岩百分含量较低。据此，可设计扇三角洲数值模拟的初始条件，包括来水来砂条件、基底条件、床砂组成和入湖后河流的展布。由于模拟计算区域只是整个凹陷的一部分，故在计算时除入流的西部边界外，其他边界都为有水砂出入的开边界。当模拟2000年，可见南部支流与南部边界之间形成的旋涡变小，此时两个支流的沉积物继续在原沉积体的展布范围内加积，沉积体前缘已推进到10km处，沉积体厚度大于45m;北部支流的沉积体形态发生了较大变化，河道出现分支迹象，粒度相对较粗的中细砂分布范围逐渐增大，约占整个沉积区域的40%，泥质沉积区逐渐减小，在砂体的中部，孔隙度较高，达到34%，在两个分支河道间，孔隙度相对较低，一般小于30%，前缘部位孔隙度为28%。

图4-3 白庙气田扇三角洲砂体模拟2000年时流场及沉积厚度分布

在应用数值模拟时，还有一点需要特别注意。在模拟地质沉积过程时，其流动条件，包括古水流条件、古物源条件和古河湖几何形态等都不十分清楚，是以历史形成的沉积结果为模拟的"目标"，去"反演"形成这些沉积结果的地质沉积的历史过程。这一模拟过程是多解的，欲使模拟的结果与历史的沉积结果较好吻合，可能需与物理模拟相结合，利用物理模拟提供的参数进行反复计算才有可能得到正确的结果。