重力流沉積機(jī)理模擬研究初探——以歧口凹陷沙一下亞段為例

苑伯超,劉忠保,何幼斌,文 沾,羅進(jìn)雄,蒲秀剛,陳長(zhǎng)偉,林常梅

(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北荊州 434023;2.中石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

重力流沉積機(jī)理模擬研究初探
——以歧口凹陷沙一下亞段為例

苑伯超1,劉忠保1,何幼斌1,文 沾1,羅進(jìn)雄1,蒲秀剛2,陳長(zhǎng)偉2,林常梅2

(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北荊州 434023;2.中石油大港油田分公司勘探開發(fā)研究院,天津 300280)

在對(duì)歧口凹陷古地貌、構(gòu)造演化、沉積體系等地質(zhì)條件調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,運(yùn)用沉積模擬技術(shù),再現(xiàn)了沙一下重力流的形成及演化過程,分析了重力流的搬運(yùn)沉積特征與影響因素。實(shí)驗(yàn)表明,來(lái)水特征、湖水位、初始流速、沉積物濃度與泥砂含量、湖區(qū)底形、流態(tài)等對(duì)重力流沉積砂體形成及演化具有顯著的影響。通過實(shí)際砂體與實(shí)驗(yàn)砂體厚度分布對(duì)比,濱海4以南、港深78、濱海28以北地區(qū)為上傾尖滅砂體有利儲(chǔ)層分布區(qū)。

歧口凹陷;沉積模擬;重力流;上傾尖滅砂體;主控因素

沉積模擬是沉積學(xué)理論研究的一種重要的實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)方法?？v觀其成長(zhǎng)歷程,沉積模擬經(jīng)歷了19世紀(jì)末的簡(jiǎn)單現(xiàn)象觀察描述[1]、20世紀(jì)60年代的沉積機(jī)理研究[2-4]至20世紀(jì)80年代對(duì)砂體形成過程和演化規(guī)律的湖盆砂體模擬[5]等三個(gè)發(fā)展階段,直至今日與計(jì)算機(jī)相結(jié)合,沉積模擬已經(jīng)逐漸形成一項(xiàng)綜合性的實(shí)用技術(shù)。

自20世紀(jì)50年代濁流理論建立以來(lái),沉積學(xué)領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命,隨著之后世界各地先后發(fā)現(xiàn)大量濁流沉積,人們對(duì)濁流沉積的認(rèn)識(shí)水平和研究深度都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[6]。在我國(guó),中—新生代湖盆中廣泛發(fā)育著重力流沉積[7-10],歧口凹陷古近系沙一下重力流沉積就是其中之一。歧口凹陷位于黃驊凹陷中北部,東西南北依次被沙壘田隆起、滄縣隆起、埕寧隆起、燕山褶皺帶前緣所圍限,受滄東斷層、漢沽斷層以及羊二莊斷層控制,區(qū)內(nèi)發(fā)育了5個(gè)負(fù)向構(gòu)造單元:歧口主凹、北塘次凹、板橋次凹、歧北次凹、歧南次凹;5個(gè)正向構(gòu)造單元:埕北斷階帶、南大港潛山構(gòu)造帶、北大港潛山構(gòu)造帶、濱海Ⅰ號(hào)斷裂構(gòu)造帶、塘沽-新港潛山構(gòu)造帶(圖1)。歧口凹陷具有凹深、坡廣的特點(diǎn),其中的次級(jí)凹陷均呈北側(cè)陡且深、南側(cè)緩而淺的箕狀不對(duì)稱形態(tài),兩個(gè)斜坡分別為歧北凹陷西斜坡帶(歧北斜坡帶)和歧南凹陷羊三木-黃驊扣村-埕北斜坡帶(歧南斜坡帶),凹陷整體具有“西斷東超、北斷南超”的特點(diǎn)[11-13]。沙河街組是歧口凹陷的主要產(chǎn)油目的層之一,自下而上可以分為沙三段、沙二段、沙一段,沙一段又可分為沙一上、沙一中、沙一下亞段。沙一下亞段厚約55 m～610 m,其沉積時(shí)期為歧口凹陷漸新世湖盆裂陷中期的最大湖泛期[14-15],此時(shí)歧口凹陷主要發(fā)育三個(gè)物源方向,即北部燕山物源區(qū)、西部滄縣隆起和南部的埕寧隆起物源區(qū),其中燕山物源區(qū)發(fā)育一套辮狀河三角洲-遠(yuǎn)岸水下扇沉積沉積體系,重力流在空間位置上主要發(fā)育在辮狀河三角洲前緣,地理位置上主要分布在歧口主凹、板橋次凹、歧北次凹、北塘次凹及其周緣地區(qū)(圖1)。重力流砂體厚度由凹陷區(qū)向孔店-羊三木隆起總體呈變薄的趨勢(shì),并于南緣斜坡帶形成上傾尖滅[16]。

圖1 歧口凹陷構(gòu)造單元圖

歧口凹陷具有沉降深度大,勘探程度低,剩余資源量多等特點(diǎn),所以勘探潛力大,具備大型油氣田發(fā)育的基本條件[17-18]。經(jīng)過多年的勘探開發(fā),歧口凹陷在勘探及基礎(chǔ)地質(zhì)研究工作方面取得較大進(jìn)展,但對(duì)沙一下重力流沉積及重力流成因上傾尖滅砂體的成因機(jī)制及影響砂體分布的主控因素等問題的研究不夠充分,這在一定程度上導(dǎo)致了歧口凹陷沙一下圈閉的預(yù)測(cè)缺乏力度和準(zhǔn)確性,因此,本文在了解歧口凹陷沙一下重力流各類砂體沉積初始條件和建立砂體沉積過程地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,通過試驗(yàn)定量觀察和定量描述,初步弄清了重力流砂體形成過程及其主控因素。沉積模擬實(shí)驗(yàn)的開展為研究砂體展布特征、沉積體系演化規(guī)律、預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層分布區(qū)等提供現(xiàn)實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

重力流沉積模擬實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)CNPC沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行(圖2),實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)16 m,寬6 m,深0.8 m,距地平面高2.2 m,湖盆前部設(shè)進(jìn)(出)水口1個(gè),兩側(cè)各設(shè)進(jìn)(出)水口2個(gè),用于模擬復(fù)合沉積體系,尾部設(shè)出(進(jìn))水口一個(gè)。湖盆四周設(shè)環(huán)形水道。裝置上方裝有檢測(cè)橋驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng),可對(duì)砂體沉積過程實(shí)施有效監(jiān)控以及對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行視頻采集與分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)底形設(shè)計(jì)

考慮到歧北凹陷西斜坡和歧南凹陷羊三木-黃驊扣村-埕北斜坡帶兩個(gè)斜坡的坡度、長(zhǎng)度及實(shí)驗(yàn)可行度等因素,可以將地質(zhì)模型概化,由北至南依次設(shè)計(jì)了:①臺(tái)地區(qū)(簡(jiǎn)化的燕山物源區(qū)),位于Y方向0～5.5 m;②斜坡區(qū)(燕山物源與凹陷過渡區(qū)),位于5.5 m～6.0 m處,坡度為12°,高差為32 cm;③湖盆區(qū)(簡(jiǎn)化的歧口凹陷區(qū)),位于7m～10.5 m處;④古隆起(歧口凹陷南緣歧南凹陷羊三木-黃驊扣村-埕北斜坡帶),位于10.5 m～12.5 m處(圖3)。研究區(qū)南緣隆起帶受埕北斷階帶、歧南次凹、南大港潛山等構(gòu)造單元控制,東側(cè)有一明顯地形低勢(shì)區(qū)(見圖4),由此設(shè)計(jì)古隆起地形(見圖5)。古隆起區(qū)底形等高線見圖6。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

重力流可以是由于三角洲砂及砂礫或礫石沉積物經(jīng)滑塌作用,在重力作用下搬運(yùn)至深-半深湖中形成,也可以是因碎屑源區(qū)砂和砂礫碎屑由洪泛事件直接形成重力流被搬運(yùn)至深-半深湖中形成。研究區(qū)這兩種成因重力流均有發(fā)育[19],主要有砂質(zhì)碎屑流、濁流兩種類型,其中以砂質(zhì)碎屑流為主。通過巖心觀察,研究區(qū)大量發(fā)育塊狀層理,可見沖刷現(xiàn)象,單砂體厚度一般大于0.5 m,最大可達(dá)數(shù)十米,橫向變化快,該現(xiàn)象揭示了原始沉積體的整體凍結(jié)過程,指示了流體的高濃度流動(dòng)和塑性流變學(xué)特征,綜合分析為三角洲前緣整體滑塌形成。歧口凹陷深湖-半深湖區(qū)發(fā)育濁流沉積,但發(fā)育規(guī)模以及發(fā)育程度要遠(yuǎn)小于砂質(zhì)碎屑流沉積。

圖3 實(shí)驗(yàn)底形設(shè)計(jì)剖面圖

圖4 沙一段古地貌立體圖(據(jù)大港油田研究院,2010)

圖5 實(shí)驗(yàn)底形設(shè)計(jì)平面圖

圖6 實(shí)驗(yàn)底形等高線圖(cm)

研究區(qū)重力流沉積巖主要由細(xì)砂、粉砂巖和中砂、粗砂組成,據(jù)巖心觀察與粒度分析表明,細(xì)砂含量約為40%,粉砂質(zhì)泥約占35%,中砂與粗砂總體約為25%,考慮到實(shí)驗(yàn)過程的可操作性,綜合砂質(zhì)碎屑流、濁流兩種重力流的搬運(yùn)能力、流量、攜砂量及攜砂粒徑等沉積特性的差異,并結(jié)合前人對(duì)砂質(zhì)碎屑流與濁流的模擬參數(shù)及相關(guān)研究[20-22],設(shè)計(jì)了長(zhǎng)流水、陣發(fā)性來(lái)水等兩種來(lái)水方式分別對(duì)砂質(zhì)碎屑流與濁流進(jìn)行模擬。本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行10輪,根據(jù)研究區(qū)砂體發(fā)育情況及古環(huán)境、古氣候條件對(duì)各輪重力流進(jìn)行調(diào)配,其調(diào)配結(jié)果與實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及水動(dòng)力參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)過程

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中長(zhǎng)流水模擬砂質(zhì)碎屑流,共進(jìn)行約49 h,陣發(fā)性來(lái)水模擬濁流,共約0.75 h,實(shí)驗(yàn)初期,砂泥攪拌充分的砂質(zhì)碎屑流經(jīng)斜坡區(qū)迅速入湖,沉積物在斜坡區(qū)上部幾乎不作停留,堆積在斜坡區(qū)中下部及斜坡腳部位,輪廓呈舌形。1 h后,斜坡區(qū)逐漸形成沿水流方向的串珠狀沖坑,隨著沖坑逐漸連通,早期深切谷顯現(xiàn)。深切谷中砂質(zhì)碎屑流能量集中,將沉積物帶至湖區(qū)。實(shí)驗(yàn)至10 h左右于斜坡頂部構(gòu)建向上變粗三角洲前緣砂體沉積層序,并進(jìn)行陣發(fā)性來(lái)水,起始砂體前端出現(xiàn)裂紋,伴隨著裂紋的發(fā)育,砂體出現(xiàn)緩慢滑動(dòng),進(jìn)而砂體分裂并呈塊體向湖區(qū)滑塌,塊體大小不一,大部分沉積物最終堆積在斜坡腳及鄰近斜坡的湖底處,部分沉積物則繼續(xù)搬運(yùn)至古隆起區(qū),形成上傾尖滅,尖滅砂體粒度較細(xì),多為泥級(jí)至細(xì)砂級(jí)沉積物。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 搬運(yùn)沉積特征分析

通過實(shí)驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,對(duì)砂質(zhì)碎屑流與濁流的搬運(yùn)沉積特征有如下認(rèn)識(shí):

(1)砂質(zhì)碎屑流搬運(yùn)沉積特征

砂質(zhì)碎屑流是一種介于低密度濁流和泥質(zhì)碎屑流之間的粘滯性流體,代表在粘性和非粘性碎屑流之間的連續(xù)作用過程,屬于賓漢塑性流體,支撐機(jī)制有分散壓力、基質(zhì)強(qiáng)度和浮力等[23-25]。砂質(zhì)碎屑流流體濃度較高,泥質(zhì)含量較低,常呈連續(xù)塊體搬運(yùn),搬運(yùn)顆粒為砂-粉砂級(jí)。砂質(zhì)碎屑流下滑是一個(gè)加速過程,流速的快慢與斜坡特征密切相關(guān),實(shí)驗(yàn)條件下,通過流速測(cè)定發(fā)現(xiàn),坡腳處速度約是坡折脊處的3倍左右。實(shí)驗(yàn)初期,在重力作用下,辮狀河三角洲前緣砂體發(fā)生滑塌,形成砂質(zhì)碎屑流沿斜坡向湖區(qū)推進(jìn),沉積物大部分聚集在斜坡中下部及坡腳處,并沒有直接進(jìn)入湖底。隨著深切谷的形成,水流集中,斜坡中下部及坡腳部位的沉積物才被帶往湖底沉積。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),砂質(zhì)碎屑流常形成流體分層,上部細(xì)顆粒形成濁流,并逐漸與下部砂質(zhì)碎屑流分離,隨著濃度的降低,砂質(zhì)碎屑流逐漸演變成濁流;粗顆粒相對(duì)細(xì)顆粒更易形成砂質(zhì)碎屑流沿斜坡滑動(dòng),粗顆粒往往形成碎屑流的頭部且搬運(yùn)距離更遠(yuǎn);湖水位不變的情況下砂質(zhì)碎屑流主水流總體居中,并向兩側(cè)隨機(jī)擺動(dòng),最終砂體形成較對(duì)稱的朵葉復(fù)合體。改變湖水位或來(lái)水來(lái)砂條件,特別是當(dāng)湖水位降低時(shí),碎屑流會(huì)形成明顯切割水道,并在水道前端出現(xiàn)新的朵葉[26](圖7)。隨著實(shí)驗(yàn)條件的變化,碎屑流砂體表面水道變遷改道,砂體不斷變寬。

圖7 砂質(zhì)碎屑流沉積特征示意圖

(2)濁流搬運(yùn)沉積特征

由于初始水流動(dòng)能大,濁流沿斜坡快速入湖,隨著流體在底形上的沖刷侵蝕,湖底逐漸形成分支水道,粗顆粒開始卸載,隨著水流的繼續(xù)前進(jìn),水流能量逐漸減小、發(fā)散,碎屑物大量沉積,伴隨流體能量的進(jìn)一步減小,細(xì)粒懸浮物質(zhì)沉積于砂體頂部。濁流砂體形態(tài)往往呈不規(guī)則的扇形,而不同期次濁流導(dǎo)致了扇體的疊置,這與湖底地形密切相關(guān)。濁流沉積物搬運(yùn)頭部以砂質(zhì)搬運(yùn)為主,并有一定的侵蝕作用,體部與尾部以砂泥混合為主,說明砂質(zhì)流動(dòng)速度較泥質(zhì)快,但由于砂質(zhì)沉積快,搬運(yùn)距離短,故其分布范圍要比泥質(zhì)沉積范圍小。多次濁流事件的發(fā)生導(dǎo)致靠近斜坡的湖區(qū)內(nèi)泥質(zhì)沉積往往被剝蝕,因而砂體垂向上常因缺失隔擋層而連通,這就增加了砂巖儲(chǔ)層的規(guī)模,在系列濁流事件的末期,泥質(zhì)最終沉積并得以保存,形成泥質(zhì)蓋層,為油氣儲(chǔ)集與保存提供有利條件。由于實(shí)驗(yàn)坡度較陡(12°),濁流的動(dòng)力比較充足,在沉積床底上以較大的速度向前翻滾,砂體沉積范圍比較大,主要分布于湖區(qū)(圖8)。

圖8 濁流沉積特征示意圖

3.2 對(duì)比分析

研究區(qū)砂質(zhì)碎屑流發(fā)育在三角洲前緣臺(tái)緣帶斜坡,常呈大面積的舌狀體;碎屑流沉積物的前方或上部發(fā)育濁流沉積,因?yàn)闈崃鞒练e密度較小,故分布范圍較廣泛(小于碎屑流沉積范圍),部分濁流與砂質(zhì)碎屑流前緣砂體共同上超尖滅在南部斜坡帶上,兩種類型重力流成因砂體常呈互層沉積,但以砂質(zhì)碎屑流沉積為主。以上這兩種與滑塌相關(guān)的重力流常形成不規(guī)則舌狀體,其中在滑塌根部砂體厚,含油性好。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果基本反映了研究區(qū)砂體分布情況:砂質(zhì)碎屑流為砂體沉積的主體,基本分布于整個(gè)湖區(qū),平面范圍大,厚度大。濁流沉積部分覆蓋在砂質(zhì)碎屑流之上,部分搬運(yùn)至砂質(zhì)碎屑流前緣,與砂質(zhì)碎屑流沉積前緣砂體共同形成上傾尖滅體,雖然濁流平面面積也有一定規(guī)模,但是厚度較之砂質(zhì)碎屑流砂體要薄的多。垂向總體形態(tài)為砂質(zhì)碎屑流砂體之中夾薄層濁流沉積與滑塌沉積透鏡體。

圖9 濱海地區(qū)沙一下亞段砂巖厚度(m)等值線圖

研究區(qū)西部滄縣隆起以東和北部砂體發(fā)育,尤其是滄縣以東砂體最為發(fā)育,且砂體厚度大,而南部區(qū)域砂體分布稀疏,規(guī)模較小,厚度較薄,由北至南,砂體厚度總體逐漸變薄(圖9)。將原型砂體上濱海2、濱海4、濱海 8、濱海28、濱深3x1、港深 46、港深59等7口井鉆井剖面按X、Y平面坐標(biāo)縮至實(shí)驗(yàn)砂體上,研究對(duì)應(yīng)井點(diǎn)相應(yīng)層之間的厚度變化特征。統(tǒng)計(jì)表明,原型砂體厚度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果厚度分布具有很好的可比性,平均符合率達(dá)到84.7%,吻合程度較高(表2)。

由濱海地區(qū)沙一下亞段上傾尖滅砂體厚度等值線圖(圖10)表明,從濱海 8至港深 78、濱海 28方向,砂體厚度大體呈逐漸減薄的趨勢(shì)。濱海4北西方向?yàn)楹穸雀咧祬^(qū),厚度變化較明顯,最厚達(dá)280 m。濱海4以南至濱海28、港深78砂體厚度較平緩,大部分區(qū)域厚度集中在120 m～160 m,最薄80 m。濱海28與港深78以南地區(qū)厚度值主要集中在40m左右。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)重力流(砂質(zhì)碎屑流與濁流)成因上傾尖滅砂體的厚度及邊界進(jìn)行了測(cè)量,編繪了上傾尖滅砂體厚度等值線圖(圖11)。圖11表明,由北至南,上傾尖滅砂體厚度逐漸變薄,砂體最遠(yuǎn)端可以達(dá)Y=12.5 m,最厚可達(dá)10 cm。砂體厚度最高值集中于濱海4北西方向,濱海4與濱海28之間則為砂體厚度相對(duì)平穩(wěn)區(qū)。由此可見,實(shí)驗(yàn)砂體厚度變化趨勢(shì)與實(shí)際砂體大體相近,砂體的厚度差異分布是重力流與古隆起地形共同影響的結(jié)果。綜合考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際砂巖厚度分布趨勢(shì),認(rèn)為濱海4以南、港深78、濱海28以北地區(qū)砂體厚度大,分布范圍廣,是上傾尖滅砂體的有利儲(chǔ)層分布區(qū)域,考慮到西部扇三角洲沉積的影響,研究區(qū)以西扇三角洲與研究區(qū)辮狀河三角洲共同影響的重力流沉積區(qū)砂巖厚度與范圍相當(dāng)可觀,應(yīng)給予足夠的重視。

表2 實(shí)驗(yàn)砂體厚度與原型砂體厚度對(duì)比

圖10 沙一下亞段上傾尖滅砂體厚度(m)等值線圖

4 控制因素

實(shí)驗(yàn)表明,重力流及上傾尖滅砂體的形成及發(fā)育主要受控于以下因素:

圖11 實(shí)驗(yàn)條件下上傾尖滅砂體厚度(cm)等值線圖

(1)來(lái)水特征

不同的來(lái)水特征形成不同類型的重力流,進(jìn)而影響重力流砂體的分布與形成。來(lái)水特征的變化主要通過流量、流速、來(lái)水時(shí)間、加砂組成及加砂濃度的控制來(lái)體現(xiàn),如長(zhǎng)流水主要形成砂質(zhì)碎屑流,砂質(zhì)碎屑流有一定的持續(xù)性,但強(qiáng)度有限,有效時(shí)間內(nèi)水下扇體生長(zhǎng)速率慢,砂體搬運(yùn)距離也較近;陣發(fā)性來(lái)水形成的濁流兼具一定的持續(xù)性和足夠能量,一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)能量的供應(yīng)使得砂體搬運(yùn)距離最遠(yuǎn),對(duì)上傾尖滅砂體發(fā)育最為有利。

(2)湖水位與初始流速

湖水位與初始流速直接影響重力流搬運(yùn)距離及砂體發(fā)育的規(guī)模和厚度。實(shí)驗(yàn)表明,湖水位高較時(shí),對(duì)砂體搬運(yùn)的阻力大,砂體平面展布受阻,沉積物以垂向加積為主,形成的砂體平面范圍小,厚度大,這種情況下砂體發(fā)育部位主要位于湖區(qū)和斜坡區(qū)下部;湖水位較低時(shí),對(duì)砂體搬運(yùn)的阻力小,砂體縱向展布明顯,形成的砂體平面范圍大,厚度小,基本分布于整個(gè)湖區(qū)。對(duì)于兩種重力流來(lái)說,湖水位影響趨勢(shì)是一致的,但在相同湖水位下,砂質(zhì)碎屑流較濁流砂體發(fā)育范圍小,在沒有后期改造的情況下砂質(zhì)碎屑流沉積厚度較濁流大。

攪拌充分的物質(zhì)注入靜止湖區(qū)水體的初始流速越大,流體慣性越大,在慣性影響下進(jìn)入湖區(qū)的洪水碎屑物質(zhì)越多,沉積物搬運(yùn)距離越遠(yuǎn),重力流砂體形成的規(guī)模越大,沉積的厚度也大;反之,攪拌充分的物質(zhì)注入靜止湖區(qū)水體的初始流速小,流體慣性小,在慣性影響下進(jìn)入湖區(qū)的碎屑物質(zhì)少,重力流砂體形成的規(guī)模及厚度也就比較小。

(3)斜坡坡度與長(zhǎng)度

斜坡坡度和斜坡長(zhǎng)度是重力流發(fā)育的必要邊界條件。只有坡度達(dá)到一定值之后才能形成重力流,據(jù)前人研究,坡度為0.5°及以上時(shí)均可形成砂質(zhì)碎屑流[26],而濁流發(fā)生的最理想坡度是 1.5°～3.0°[27]。一般情況下,坡度越陡,重力流滑動(dòng)速度越快;斜坡長(zhǎng)短一方面通過地形高差控制重力流的發(fā)育,坡度相同,長(zhǎng)度越大,高差就越大,越有利于重力流的發(fā)育,另一方面斜坡越長(zhǎng),重力流加速時(shí)間就越長(zhǎng),速度就越大。

斜坡的坡度與長(zhǎng)度是相互補(bǔ)償?shù)?斜坡短、坡度陡與斜坡長(zhǎng)、坡度緩均可滿足重力流的發(fā)生,在相同斜坡坡度與長(zhǎng)度條件下濁流較砂質(zhì)碎屑流更容易發(fā)生。

(4)沉積物濃度與泥砂含量

沉積物濃度與泥砂含量決定重力流流動(dòng)行為與沉積結(jié)構(gòu)。不同重力流的泥砂含量有所差異,實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)合自然界中兩種重力流的實(shí)際差異,通過多次實(shí)驗(yàn)的嘗試發(fā)現(xiàn),濁流搬運(yùn)過程中泥砂含量具有一定的范圍,一般將泥砂含量10%大致定為低密度濁流的上限;10%～25%定為濁流和高密度濁流的范圍,大于20%或25%則屬于砂質(zhì)碎屑流的范疇[22]。濁流的泥砂含量組成中,必須要達(dá)到一定數(shù)量的泥級(jí)顆粒,才能為濁流搬運(yùn)過程提供支撐力,否則濁流有可能演變?yōu)轭w粒流,因此泥砂含量高低和泥砂顆粒組成對(duì)重力流影響較大。

(5)湖區(qū)底形

湖區(qū)底形對(duì)重力流砂體厚薄分布趨勢(shì)及展布具有明顯的控制作用。當(dāng)湖底平坦時(shí),砂體平面展布所遇阻力小,砂體分布范圍廣,常形成厚度較均勻的朵葉體;當(dāng)湖底底形凹凸不平時(shí),重力流沉積常被底形阻礙,砂體平面形態(tài)取決于底形形態(tài),在相對(duì)平坦處砂體延伸遠(yuǎn),不平坦處平面沉積受阻,延伸有限,因而砂體形態(tài)往往不規(guī)則。垂向上,砂體厚度分布極不均勻,凹陷處厚,凸出處薄;當(dāng)湖區(qū)底形具有一定坡度時(shí),在慣性作用下,重力流具有爬坡功能,其爬坡的高度與斜坡帶高差和坡度有關(guān),如果斜坡帶高差大、坡度陡,濁流在深湖內(nèi)就具有較強(qiáng)的爬坡能力,可以越過比較高的陡坎,反之濁流的爬坡能力就比較小[22]。在相同湖區(qū)底形下,濁流爬坡能力較碎屑流更強(qiáng)。

(6)流態(tài)

流態(tài)決定了重力流砂體形成發(fā)育的動(dòng)力方式及沉積方式。攪拌充分的水、砂、泥物質(zhì)在一定的初始流速條件下注入靜止的湖區(qū),在重力及慣性力影響下快速流動(dòng)并相繼發(fā)生不同程度的摻混,如砂質(zhì)碎屑流往往呈層狀或塊狀流動(dòng),沉積物搬運(yùn)過程中顆?；旧喜粨交?濁流以懸浮搬運(yùn)為主,伴隨沉積物在湖區(qū)的注入、搬運(yùn)、沉積,湖區(qū)中的水體呈紊動(dòng)狀態(tài),并與漩渦、回流及環(huán)流相伴生。

5 沉積模式

特定的地質(zhì)背景、獨(dú)特的古地貌特征決定了砂體的沉積特征和展布模式。工區(qū)由北至南依次為燕山褶皺帶、歧北斜坡帶、歧口凹陷區(qū)、歧南斜坡帶。燕山褶皺帶發(fā)育辮狀河三角洲,三角洲前緣延伸至歧北三級(jí)斜坡帶頂端,前緣砂體在水流及一定外力作用下沿斜坡下滑動(dòng)、滑塌,形成砂質(zhì)碎屑流與濁流。由于砂質(zhì)碎屑流流體密度較大,沉積物主要集中在滑塌的根部,即斜坡帶下部及靠近斜坡帶的湖區(qū),此處由于水動(dòng)力較強(qiáng),而濁流沉積物較細(xì),故前期濁流沉積物常被后期流體侵蝕改造,保留下來(lái)的濁流沉積物較少;至深湖區(qū),水流強(qiáng)度逐漸減弱,濁流沉積比重增加,但碎屑流沉積仍為主體;到南緣斜坡帶,砂質(zhì)碎屑流砂體繼續(xù)變薄,濁流較發(fā)育,二者砂體共同形成上傾尖滅帶。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,自北向南,歧口凹陷依次發(fā)育辮狀河三角洲、斜坡帶、重力流沉積。據(jù)以上特征,建立了歧口凹陷沙一下沉積模式圖,見圖12。其中辮狀河三角洲位于燕山物源區(qū),三角洲前緣為重力流沉積提供物源,斜坡帶即為歧北斜坡帶,它為重力流的形成提供構(gòu)造條件,而水流強(qiáng)度與攜砂量、攜砂粒級(jí)則決定了重力流砂體分布及上傾尖滅的規(guī)模。

圖12 歧口凹陷沙一下沉積模式圖

6 結(jié) 語(yǔ)

沉積模擬可以解決理論和實(shí)際問題,對(duì)沉積學(xué)上的理論和模式進(jìn)行驗(yàn)證,針對(duì)存在的問題進(jìn)行模型設(shè)計(jì),通過模擬再現(xiàn)其沉積過程,研究其影響及控制因素、砂體展布等特征,并建立相應(yīng)的沉積模式,為油田勘探開發(fā)提供更為實(shí)際的思路和方向。實(shí)驗(yàn)表明,歧口凹陷重力流砂體的形成與分布是不同類型重力流共同作用的結(jié)果,砂質(zhì)碎屑流與濁流對(duì)重力流超覆體的形成影響都較大。通過分析,歧口凹陷重力流主要受來(lái)水特征、湖水位與初始流速、斜坡坡度與長(zhǎng)度、沉積物濃度與泥砂含量、湖區(qū)底形、流態(tài)等因素的控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)M所得的砂體厚度變化趨勢(shì)與研究區(qū)實(shí)際砂體厚度變化趨勢(shì)擬合度較高。綜合分析模擬結(jié)果與模擬區(qū)塊實(shí)際情況,研究區(qū)有利的儲(chǔ)層應(yīng)分布于濱海4以南、港深78、濱海28以北地區(qū)。最終,綜合重力流沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究與歧口凹陷地質(zhì)原型,建立了歧口凹陷古近系沙一下重力流沉積體系的沉積模式。

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Preliminary Exploration for Simulation Study of Deposition Mechanism of Gravity Flow——Taking Lower Part of Shahejie Formation in Qikou Sag for Example

YUAN Bo-chao1,LIU Zhong-bao1,HE You-bin1,WEN Zhan1,LUO Jin-xiong1,PU Xiu-gang2,CHEN Chang-wei2,LIN Chang-mei2
(1.College of Geosciences,Yangtze River University,Jingzhou,Hubei434023,China;2.Research Institute of Exploration andDevelopment,China Detroleum Dagang Oilfield Company,Tianjin300280,China)

Based on studying the paleogeomorphological features,tectonic evolution,depositional system of Qikou Sag,the formation and evolution of the sand bodies of gravity flow origin are reconstructed by using the technology of simulation experiment.The transportation and sedimentary characteristics and the influencing factors of gravity flow are also analyzed.The experiment results show that the inflow characteristics,lake level,initial flow velocity,sediment concentration and sediment content,lake bottom shape,flow patterns and so on have obvious influence for the formation and evolution of the sand bodies of gravity flow origin.By comparing the actual thickness and experimental thicknessof the sand body,the region of the south of Binhai4 and the north of Gangshen78 and Binhai28 is the favourable region for reservoir development.

Qikou Sag;sedimentary simulation;gravity flow;upward pinchout sand;main control factor

P512.2

A

1672—1144(2012)01—0004—08

2011-11-25

2011-12-20

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助(2008ZX05007-002)

苑伯超(1987—),男(漢族),河北保定人,碩士研究生,主要從事儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究。

劉忠保(1965—),男(漢族),湖北荊州人,副教授,主要從事水動(dòng)力學(xué)及實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。