沉积物理模拟技术进展

1.2　沉积物理模拟技术进展

沉积模拟是沉积学理论研究的一种重要的实验手段和技术方法，可以分为数值模拟和物理模拟。物理模拟是对沉积物物理过程的室内模拟，通过模拟当时的沉积条件，在实验室还原自然界沉积物的沉积过程。最初的物理模拟实验较多地应用于水文和河流地貌的研究，近20年开始重点对湖盆沉积砂体形成过程及演变规律进行模拟研究。本书对沉积论物理模拟技术的进展及发展趋势进行综述。

在前人的研究成果中，一般将沉积物理模拟技术分为3个阶段，但是，随着计算机技术的迅速发展，计算机数值模拟作为沉积物理模拟的配套技术，对沉积物理模拟的影响越来越重要，因此，我们认为应该将沉积物理模拟技术分为4个发展阶段：①19世纪末至20世纪60年代，以现象观察描述为主的初级阶段，该阶段代表性成果有西蒙斯和查理德森（Simons and Richadson，1961、1965）的关于水槽实验的系统研究报告；②20世纪60～80年代，以底形研究为主的迅速发展阶段，此阶段中，Southand（1971）有关速度-粒径-水深的图形、Allen（1963）通过流体力学和松散边界水力学的研究所体现出来的物理学方法和Best（1988）河道交汇处的流体动力学及其对沉积物搬运和床底形态控制的研究给沉积模拟打下了稳定的基础；③20世纪80～90年代，以砂体形成过程研究为主的湖盆砂体模拟阶段，该阶段建立了若干适合砂体模拟的大型实验室；④21世纪至今，半定量-定量化的模拟阶段，借助计算机技术的快速发展和广泛应用，该阶段特征主要体现在沉积物理模拟和数值模拟的紧密结合，沉积物理模拟与高精度的摄影、测量技术的紧密结合，使得沉积过程的详细记录和沉积体时-空分布特征的精细描述及刻画得以实现（Van，2006；Juan，2009；Octavio，2009）。

1.2.1　沉积物理模拟实验方法

沉积物理模拟是在室内对物理过程进行模拟，其关键是原型与模型的相似性。该方法基本步骤如图1-3所示，在分析地质原型的基础上，设计实验参数，在几何、运动、动力等相似理论的约束下，建立地质模型、物理模型，进而建立原型和模型之间的对比标准，然后进行实验设计，进行模拟实验，在实验过程应进行监控，实验完成后，对沉积砂体的纵、横剖面进行研究，开展实验结果与原型相对比的相似性研究，从而检验实验的准确性。而在具体的实验过程中，应根据模拟区的情况，如模拟区的规模、层位等，进行实验设计，包括对模型比尺、实验装置的有效范围、原始底形、加砂组成、加砂量、水流量、湖水位、河道类型、河岸组成等参数的确定及对含砂量、活动底板、实验过程的控制。

沉积物理模拟实验得到的各种资料和数据，为后续开展的数值模拟设置参数提供的必要参考信息。

图1-3　沉积物理模拟实验步骤示意图

1.2.2　国内外沉积物理模拟实验室简介

根据实际需要，20世纪80年代后，不同国家的研究者重建或新建了不同类型的适合于砂体模拟的实验室。本书主要介绍国内外几个典型的实验室。

1.2.2.1　国外沉积物理模拟实验室简介

以下主要介绍荷兰、美国、日本等国的一些沉积物理模拟实验室。

（1）荷兰乌特列支大学物理模拟实验室：该实验室建于2002年，2004年1月投入使用。实验室水槽规模长、宽、高为12.0m×6.0m×1.2m，是一个现代化的模拟实验室。该水槽实验室是为研究地形演化、河流和三角洲演化和浊流体系研究而专门设计的，以George Postma教授为首，很多学者在该实验室完成了一系列的研究，如层序地层格架内的河流及三角洲沉积对构造沉降、气候因素的响应特征，冲积扇、三角洲体系的自旋回特征（Postma，2001、2003、2008）。

该实验室的3个典型特点：①具有可移动的基座，地层模拟研究需要一个可垂直调整的底板来模拟构造抬升/沉降；②高精度的摄影系统和测量系统；③数字高程模型可转为地质平面图和剖面图，该系统的软件能利用获得的原始高度数据计算沉积物的沉积量和剥蚀量，进而生成具有地质含义的成果图（平面图、剖面图）。

（2）美国科罗拉多州立大学工程研究中心的大型流水地貌实验装置：该实验装置主要模拟河流沉积作用，同时可模拟天然降雨对河流地貌的影响，以及在不同边界条件下河床变形规律、单砂体的形成机制等。美国许多实验沉积学家在该装置上完成了一系列实验（Baridge，1993；Bryant，1993）。

（3）荷兰代尔夫特水力研究所的Delft模拟实验室：该实验室隶属于荷兰河流和导航分局。为了从事应用基础研究，该室专门建成了一个大型水槽，水槽用加固混凝上建造，观察段由带玻璃窗的钢架构成。水槽总长98m，宽2.5m，带玻璃窗段长50m，测量段长30m，测量段宽为0.3m和1.5m。没有沉积物时的最大水深为lm。水槽周围安装了各种控制和测量装置，微机和微信息处理机能自动取得数据和自动改变各种边界条件（如流量）等。在玻璃窗段的上方架设轨道，供仪器车运行（Delft，1962）。

（4）日本筑波大学模拟实验室：该实验室长343m，自动化程度较高，监测设备相对齐全，分析手段比较先进，相继完成了海浪对沉积物搬运和改造、饱和输沙及非饱和输沙的河流沉积体系、湖泊沉积与水动力学等一系列实验，有一批世界各地的客座研究人员，定期发布研究成果。

此外，瑞士联邦工业学院的盆形水槽可进行浊流模拟实验。

1.2.2.2　国内沉积物理模拟实验室简介

国内的沉积物理模拟实验室相对较少，相对使用广泛的主要为以下两个：

（1）长江大学CNPC沉积模拟重点实验室：该实验室是中国石油天然气总公司在长江大学建立的河湖体系沉积模拟实验室，主要是用于预测油气储层的展布形态、规模和储集性能，并兼顾其他沉积学方面的基础研究。该实验室实验装置长16m，宽6m，深0.8m，距地平面高2.2m，其主要模拟对象为中国东部陆相断陷湖盆沉积。

（2）中国石油大学（华东）油气勘探实验教学中心——水槽实验装置：该水槽实验装置为一内壁长5m、宽2m、高1m的室内水槽，水槽长轴为玻璃壁，便于观察和照相，可清楚地观察扇体剖面的发育特征和变化过程。该实验水槽基本能满足扇三角洲、三角洲的形成过程模拟，并可模拟三角洲前缘滑塌浊积体形成过程。

1.2.3　沉积物理模拟技术发展现状及进展

尽管物理模拟技术应用于湖盆沉积砂体形成过程及演变规律的时间不长，在我国的发展历史上更是短暂，但随着我国沉积物理模拟技术的发展，通过对一些碎屑沉积体的模拟实验，我国学者也取得了一些成果，下面按照不同的沉积相类型对这些研究成果进行总结（李敏等，2010）。

1.2.3.1　对冲积扇沉积的实验研究

冲积扇是河流流出峡谷后在山口区堆积形成的粗碎屑沉积体，在冲积扇方面，前人已经做过不少研究，且主要集中在了解冲积扇形态、流量、粒径之间的关系方面，如Maill（1977）、Dietrich等（1978）都强调在天然体系中，流量对冲积扇坡度的影响。Hook和刘忠保（1992）经过对冲积扇的物理模拟实验，得出冲积扇的几何形态受到流量和粒径的影响；张春生（2001）在对冲积扇的形成过程实验研究中对冲积扇做了较为全面的研究，给出了流量和粒径对扇体坡度影响的实验数据，指出粒径对控制流量大小的影响，讨论了坡度随方位的变化，并用马尔科夫过程解释了扇体表面的不规则性，但由于此实验仅考虑了河道对冲积扇形成的影响，所以据此建立起来的沉积模型，并不适用于碎屑流沉积占很大比例的天然扇体的形成过程。

1.2.3.2　对三角洲沉积的实验研究

三角洲为河流进入相对静止的稳定海盆或湖盆水体时形成的沉积体，具有有利的生储盖条件，迄今为止，发现的许多大型油田均为三角洲沉积。在我国对三角洲的物理模拟研究，相对于其他沉积体系也更加成熟。

自从赖志云和周维（1994）在美国科罗多州立大学的实验室进行了舌状三角洲和鸟足状三角洲形成及演变的沉积模拟实验，提出了入湖斜坡区的坡度控制着两类三角洲的形成演变等观点后，国内对三角洲的模拟研究逐渐丰富和全面起来。刘忠保等（1995）进行了湖泊三角洲砂体形成及演变的水槽实验的初步研究，得出湖水深度可以控制三角洲砂体形态和进积速率等认识，对油气勘探有着一定的意义；张春生（2001）也对靖安油田长6三角洲的形成过程进行了模拟，给出了长6三角洲形成的控制因素，并对实验结果和原型的相似性做了比较。

除了对三角洲形成过程的模拟外，我国很多学者也对三角洲亚相的形成演变做了一些模拟研究。如张春生等（2000）进行了三角洲分流河道及河口坝形成过程的物理模拟，实验过程显示水下分流河道的变迁与湖平面的下降速率及活动底板的运动强度密切相关；刘忠保等（2000）也开展了类似的研究，通过分析水下和水上分流河道砂和前缘席状砂的宽、厚比变化趋势，并结合砂体平面分布特征，为实际生产提供了有价值的信息。由于三角洲前缘滑塌浊积体是一类重要的岩性油气藏，对其研究也有着重要意义，不少学者在这方面也取得了一些成果，如鄢继华等（2004）对三角洲前缘滑塌浊积体的形成过程进行初步探索，根据触发机制总结4种滑塌浊积体类型，根据实验结果提出外界触发机制（地震、波浪等）是形成三角洲滑塌浊积体的重要原因等观点；张关龙等（2006）也模拟了不同条件下三角洲前缘滑塌浊积岩形成过程，指出不同触发机制条件可以形成不同类型的浊积体，这对二级滑塌浊积体这种隐形圈闭油气藏的勘探有着指导意义。

1.2.3.3　对扇三角洲沉积的实验研究

扇三角洲是以冲积扇为沉积物供给体系的粗粒级端元，以近源短流为基本特征，是一种重要的砂体类型，也是我国含油气盆地的一种重要储层类型。扇三角洲的沉积物理模拟研究也取得一定数量的成果。刘忠保和赖志云（1994）对以河流作用为主的扇三角洲有砂体进行了模拟，在仅仅考虑湖面水位下降这一因素的条件下，探讨其形成条件、分布规律、演变机制和非均质性，得出了三角洲在平面上表现为纵向和横向同步扩展，在湖平面下降时，横向发育更快等结论；张春生等（2000）模拟了扇三角洲形成过程及演变规律，根据实验结果分析了扇三角洲的沉积过程、沉积作用及演化特征；张春生（2001）进行了滦平扇三角洲C_Ⅳ、CⅤ、C_Ⅵ层序的物理模拟，并开展与原型砂体的对比研究；夏长准等（2002）在对濮阳凹陷白庙气田沙河街组三段下亚段（简称为沙三下）扇三角洲的模拟研究中，指出沙三下的扇三角洲主要是碎屑流和牵引流交替作用的结果，前者厚度大，并给出影响其发育演变的若干因素；张春生等（2003）又对砂质扇三角洲沉积过程进行了实验研究，分析砂质扇三角洲侵蚀—沉积经历的各个演变过程，并探讨了基准面变化对其的影响。

1.2.3.4　对河道沉积的实验研究

河流沉积是自然界分布最广的一种沉积，对河道的模拟研究历史较久，但主要是用于水利等部门，而沉积方面的模拟也是近20年来才开始的。由于实验场地等原因，常常是对某段河流或河流某个亚相进行模拟。张春生（2001）对沙丘发展过程、拓宽河道心滩形成演变、长江百里洲段洲滩、定床变弯度曲流河边滩和交汇河道沉积物搬运进行了模拟研究，从不同侧面反映河流沉积作用特征；王随继等人（2004）开展的网状河流多重河道形成过程的实验模拟，填补了网状河水槽实验的空白，实验模拟了天然网状河流的形成、发展和演变过程，是对网状河模拟的很好尝试；刘忠保等（2006）在不同实验条件下模拟了深切谷的形成，分析其发育特征，并给出形成深切谷的有利条件和外部动力，最后建立了破折带上深切谷的沉积模式。

1.2.3.5　对一些重力流沉积的实验研究

重力流是一种密度流，是将沉积物从浅水搬运到深水的一种最重要的地质营力，深水粗碎屑大多都是在重力流的搬运下形成的。近年来，我国学者也做过一些重力流的沉积模拟实验，对其形成演化取得了一些认识。张春生等（2002）在对涌流型浊流形成及发展的实验研究中，发现涌流型浊流主体运动速度比头部快、流体密度在其底部比较大等底流型浊流所不具有的特点；刘忠保等（2006）进行了沉积物重力流砂体形成及分布的沉积模拟实验研究，分析了沉积物重力流的形成条件、控制因素及其砂体分布和演化特征；刘忠保等（2008）又开展了洪水型浊流砂体形成及分布沉积模拟实验，通过实验认为斜坡带的坡度和高度、湖底地形、湖水位等参数对洪水型浊流沉积有重要影响，洪水型浊流的泥沙含量决定了其流动行为及沉积结构。

除上述一些典型沉积相的模拟实验外，我国学者也开展了一些其他探索，如刘晖等人（2007）开展的沉积破折带控砂模拟实验研究。通过这些沉积物理模拟实验，不仅有利于我们更直观地了解沉积相形成发展过程和丰富的理论知识，也能对沉积相带的时-空分布进行预测，指导油气勘探，实践证明沉积过程物理模拟实验是沉积学、层序地层学研究中的一种行之有效的手段。

通过上述国内外的实验室及沉积物理模拟实验成果分析，现在的模拟实验［包括国外的模拟实验（Felix，2006；Peter，2006；George，2009，等）］只是通过活动底板的升降来模拟构造沉降、沉积物供应参数的变化来反映物源差异、水流量的大小来反映气候变化，而且多为单因素作用下的沉积过程模拟，因此只能对简单的沉积过程进行重现。然而，自然界中的沉积过程是一个动态的过程，往往受多种复杂的地质控制因素共同影响，并且在不同时期的沉积过程中，这些地质控制因素具有动态的变化特征；这些地质控制因素本身随时间、外界条件的改变而变化，即不同的环境，沉积控制因素不同，存在很大的不确定性。所以很多因素（如物源随时间的动态变化）都无法在实验室进行模拟，使得实验效果与实际情况有一定出入，只有通过改善实验条件、改进实验设备、优化实验设计、完善分析手段，使模拟的沉积过程、结果更逼近自然界的真实情况。

1.2.4　沉积物理模拟技术发展趋势

物理模拟的关键是解决模型与原型的相似性问题，对沉积环境进行模拟，还原自然界的沉积过程。然而在实际的实验中，由于场地等其他原因，对很多地质条件无法进行模拟，这往往造成实验结果的失真。并且，随着研究内容的要求不断深入，精细化要求越来越高，物理模拟想要解决这些问题，取得突破，就必须在完善自身的同时与其他技术和学科相结合。不管怎样，随着沉积物理模拟技术日趋成熟，特别是在快速发展计算机技术提供了强大计算、显示功能的支持下，该技术将会取得不断发展、完善。

1.2.4.1　物理模拟与数值模拟日益结合

沉积模拟分为物理模拟和数值模拟，数值模拟是利用计算机对沉积体的物理过程进行模拟。相对于数值模拟，物理模拟具有一些难以避免的缺点，如：物理模拟受比例尺和实验条件的限制，直接导致原型和模型之间的差异性；物理模拟抗干扰性能不如数值模拟，受人为影响大，多次模拟得到的实验结果可能不相同；物理模拟成本较高，而且效率低，这相对于高效低成本的数值模拟，通用性大大降低。但同时，物理模拟也具有数值模拟所不具备的优势，例如，要进行有效的数值模拟，就必须为其建立整套的控制方程和封闭条件以及有效的计算方法，且必须有物理模拟为其提供定量的参数。

因此，物理模拟是数值模拟的基础，并可验证数值模拟的准确性；反过来，数值模拟在一定程度上又能指导物理模拟，两者相辅相成，相互补充，相互促进。现在已有很多模拟研究将两者结合起来，并取得了很好的成果（Kubo，2003；Van Heijst，2001），物理模拟与数值模拟的日益结合无疑仍是未来物理模拟技术发展的一个重要趋势，也是今后定量化研究的必然趋势。

1.2.4.2　物理模拟与高精度的摄影、测量技术相结合

物理模拟旨在让人能更直观地了解沉积体的形成、发展及演化过程，是对历史沉积作用的重现，所以运用高精度的摄影技术详细记录和精细描述沉积过程是必需的，由定性的描述到定量的记录，结合数字图形显示，进行直观的解释，是沉积物理模拟的一种必然趋势。如书中提到的荷兰乌特列支大学物理模拟实验室，就具有高精度的记录系统及配套的显示软件，能够将模拟结果即时转换成图形显示，进行直观的地质解释。我国现有的物理模拟实验室所采用的摄影和测量系统远远达不到实验所需要求，特别是模拟测得的数据精度不够高，这也使得实验的成果大打折扣。

采用高精度的摄影和测量技术，提升实验品质和效果也将是物理模拟技术能否取得突破、由定性型转化为定量型的一个关键。

1.2.4.3　对复杂沉积体和复杂地质因素的模拟

由于实验条件的限制，实验对于简单的沉积过程效果较好，而对于复杂沉积体的形成则相对较差。自然界中的沉积现象往往都是在多种复杂地质控制因素共同作用下形成发展的，不但沉积过程是复杂的，而且影响该过程的地质控制因素也存在着很大的不确定性，对于不同类型、不同地质背景的盆地，其沉积过程的控制因素不会完全一致，同时，这些控制因素本身是随时间、外界条件的改变而变化的。目前，很多因素（如气候骤变）都无法在实验室进行模拟，这些都使得实验效果与实际情况有一定的出入，制约了物理模拟技术的发展。

因而，改善实验条件、改进实验设备、完善实验设计、优化数据测量和分析方法，对较复杂沉积体和在复杂地质因素作用下沉积体的沉积过程进行精细模拟（Smedsrud，2001；Widera，2009），是今后物理模拟技术想要取得发展和广泛应用必须攻克的一个难关，也是沉积模拟实验未来发展的一个方向。

1.2.4.4　层序地层格架内的精细沉积物理模拟

随着石油、天然气勘探程度的不断提高，需要对沉积层序进行宏观控制和微观描述及精细评价。沉积物理模拟技术经历了由简单到综合、定性—半定量—定量的演变过程，层序地层学的出现，特别是高分辨率层序地层的发展，极大地推动了沉积物理模拟技术，两者的结合起到了相互促进共同发展的作用（Van Heijst et al，2002）。借助沉积模拟实验手段［计算机模拟（朱红涛，2007；Chao，2009；Chung，2008，等）、沉积物理模拟］，开展半定量—定量化的模拟研究，大规模的地质研究、物理实验和计算机模拟综合研究层序地层构型精细模拟及其影响因素是当今层序地层学研究的发展方向之一。