基于沉積數(shù)值模擬的辮狀河心灘演化

張憲國(guó), 張育衡, 張 濤, 林承焰, 王宏偉

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 2.山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580;3.中國(guó)石化河南油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南南陽(yáng) 473132; 4.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266590;5.中國(guó)石油大港油田采油六廠,河北滄州 061100)

辮狀河油氣儲(chǔ)層在新生代陸相盆地中廣泛發(fā)育,心灘作為其最重要的沉積單元成為油氣儲(chǔ)層研究的熱點(diǎn)[1-5]。針對(duì)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究,涵蓋露頭、現(xiàn)代沉積和地下儲(chǔ)層[6-11]。但主要是對(duì)心灘及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜態(tài)刻畫(huà),對(duì)其形成過(guò)程的研究甚少[8-12],尤其是對(duì)地下心灘沉積的形成過(guò)程,缺乏深入認(rèn)識(shí)。因此選取黃驊坳陷典型辮狀河沉積實(shí)例,分析心灘儲(chǔ)層構(gòu)型并利用沉積數(shù)值模擬再現(xiàn)心灘的形成過(guò)程,認(rèn)識(shí)心灘形成機(jī)制,指導(dǎo)地下儲(chǔ)層構(gòu)型刻畫(huà)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于黃驊坳陷羊二莊油田(圖1),是黃驊坳陷趙家堡斷層下降盤(pán)的一個(gè)穹隆背斜構(gòu)造。基底之上自下而上發(fā)育古近系孔店組、沙河街組和東營(yíng)組、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組以及第四系平原組(圖2)。其中館陶組和明化鎮(zhèn)組是該油田的主要含油層系[13]。研究區(qū)館陶組發(fā)育辮狀河沉積,心灘是最主要的含油砂體類(lèi)型[14]。經(jīng)過(guò)40余年的開(kāi)發(fā),羊二莊油田進(jìn)入高含水期。心灘砂體在開(kāi)發(fā)中表現(xiàn)出較強(qiáng)的沉積非均質(zhì)性,開(kāi)發(fā)層內(nèi)矛盾突出,故認(rèn)識(shí)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)成為預(yù)測(cè)剩余油分布和提高采收率的關(guān)鍵。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

圖2 黃驊坳陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Huanghua Depression

2 解剖區(qū)心灘構(gòu)型特征

辮狀河河道遷移頻繁,具有砂體連片發(fā)育的特點(diǎn),砂體以心灘沉積為主,呈“疊覆泛砂體”的形態(tài)展布[15]。按照Miall的河流相儲(chǔ)層構(gòu)型劃分方法[2,16],單一心灘沉積為四級(jí)構(gòu)型單元,而心灘內(nèi)部的加積單元為三級(jí)構(gòu)型單元。

2.1 單一心灘識(shí)別與特征

地下儲(chǔ)層辮狀河沉積多是多期次疊加改造的殘留沉積,其心灘沉積多以心灘復(fù)合體的形式存在,識(shí)別單一心灘是刻畫(huà)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提和基礎(chǔ)。研究區(qū)為開(kāi)發(fā)后期密井網(wǎng)區(qū),利用井點(diǎn)靜態(tài)和開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)資料可以有效識(shí)別單一心灘。

利用同一心灘砂體在測(cè)井相上的相似性可以初步對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。此外心灘底部的相對(duì)高程差也是單一心灘識(shí)別的一個(gè)依據(jù)。通常情況下,在一定范圍內(nèi)河床高程相對(duì)穩(wěn)定,因此單一心灘的底部與標(biāo)準(zhǔn)層的相對(duì)距離具有穩(wěn)定性,可以作為識(shí)別單一心灘的依據(jù)。單一心灘內(nèi)部同期的落淤層沉積厚度橫向變化符合自然規(guī)律,這也是識(shí)別單一心灘的一個(gè)輔助依據(jù)。

根據(jù)上述識(shí)別方法和原則,綜合考慮心灘發(fā)育規(guī)模和平面形態(tài),對(duì)解剖區(qū)的單一心灘進(jìn)行識(shí)別。以圖3所示的NgⅢ1-3單砂層典型心灘為例,在代表區(qū)域泛濫沉積的穩(wěn)定泥巖標(biāo)準(zhǔn)層拉平之后,莊5-15-6井心灘底面深度為1 885.29 m,與鄰近的莊5-15-2、莊5-15-3、莊5-15-5、莊5-15-10、莊5-15-3K以及莊5-15井同期次心灘砂體底面深度相近。而在相鄰的莊G3井,同一單砂層心灘底界面深度為1 912.34 m,與前述的幾口井深度差異大,因此莊G3井與前述各井鉆遇的心灘不是同一個(gè)單一心灘。同時(shí)從落淤層發(fā)育情況看,莊5-15-6井與莊G3井落淤層發(fā)育位置及指示的垂積體厚度差異顯著(圖3(a)、(c))。

圖3 解剖區(qū)心灘發(fā)育特征Fig.3 Sedimentary features of braided bars in detailed research area

研究區(qū)40余年的開(kāi)發(fā)積累了大量動(dòng)態(tài)資料,尤其是示蹤劑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以作為判斷砂體連通性和單一心灘識(shí)別的輔助依據(jù)。以莊5-15-8井組為例,注水井莊5-15-8井注入示蹤劑后,在位于同一心灘的監(jiān)測(cè)井莊5-17K中有示蹤劑顯示,指示同一心灘內(nèi)部砂體的良好連通性;而由于不同心灘之間四級(jí)構(gòu)型界面的滲流屏障作用,位于鄰近心灘的監(jiān)測(cè)井莊5-15-2井未見(jiàn)到示蹤劑顯示。

2.2 心灘內(nèi)部構(gòu)型特征

以落淤層為界面的砂巖增生體疊置心灘模式是中國(guó)油氣儲(chǔ)層研究中使用最廣的心灘沉積模式,落淤層由辮狀河洪泛事件末期懸浮落淤沉積形成,具有指示事件性沉積的意義[4-5,11,15]。研究區(qū)心灘內(nèi)落淤層以?shī)A層的形式出現(xiàn),其巖性以粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主,在測(cè)井曲線上特征顯著。以圖3中莊5-15-5井所在的心灘為例,測(cè)井曲線上可以識(shí)別出4期落淤層沉積,在自然電位(SP)和自然伽馬(GR)測(cè)井曲線上與圍巖幅度差明顯,孔隙度和滲透率均出現(xiàn)低值特征(圖4)。

在解剖區(qū)選取完整的單一心灘,在心灘的頭部、中部和尾部各選一口井建立連井剖面,在落淤層單井識(shí)別的基礎(chǔ)上,結(jié)合落淤層沉積特點(diǎn)進(jìn)行不同井點(diǎn)的落淤層對(duì)比(圖3、5)。根據(jù)高程和單期垂向加積砂體的厚度變化趨勢(shì),莊5-15-2井位于心灘主體部位,發(fā)育5期落淤層,而位于心灘頭部和尾部的莊5-15-5和莊5-15-6井均識(shí)別出4期落淤層沉積。位于心灘底部的一期落淤層規(guī)模較小,形成于心灘沉積早期,對(duì)應(yīng)的其下部心灘垂積體僅覆蓋莊5-15-6井和莊5-15-2井;隨著心灘發(fā)育規(guī)模的增大,在順流加積作用下,心灘順流加積生長(zhǎng),向下游推進(jìn),在3口井上均鉆遇心灘砂體。心灘沉積過(guò)程中,在向下游順流加積的同時(shí),心灘頭部迎水面受到水流侵蝕作用,導(dǎo)致心灘頭部增生砂體和落淤層難以沉積或保存,因此位于心灘頭部的莊5-15-6井頂部一期落淤層不發(fā)育。

圖4 莊5-15-5井心灘內(nèi)落淤層及心灘增生體Fig.4 Slit layer and accretion sand body in braided bars of well Zhuang 5-15-5

圖5 心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)(井點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖3)Fig.5 Reservoir architecture of braided bar (planar location of wells is in Fig.3)

3 心灘發(fā)育過(guò)程數(shù)值模擬

從研究區(qū)心灘構(gòu)型來(lái)看,除了垂向加積外,在心灘形成過(guò)程中還存在側(cè)向和順流向的沉積作用。地下儲(chǔ)層中保留的心灘形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是上述作用綜合的結(jié)果。研究通過(guò)沉積過(guò)程的數(shù)值模擬,重現(xiàn)心灘形成過(guò)程,探究不同的沉積作用如何塑造心灘砂體沉積?；谀嗌乘畡?dòng)力學(xué)的沉積過(guò)程數(shù)值模擬能夠有效避免基于沉積物理模擬和現(xiàn)代沉積觀測(cè)的沉積過(guò)程研究中存在的不足[17-19],越來(lái)越多地被應(yīng)用于沉積過(guò)程和沉積機(jī)制的研究[17-23]。

3.1 模型與模擬參數(shù)

根據(jù)實(shí)例解剖區(qū)辮狀河發(fā)育規(guī)模,建立3 km×20 km的模擬河段,縱向上設(shè)定3層網(wǎng)格;根據(jù)實(shí)例區(qū)構(gòu)型單元尺度和研究精度要求,設(shè)定平面網(wǎng)格尺寸為50 m×50 m,確保單一心灘內(nèi)有足夠數(shù)量的網(wǎng)格顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu),以滿足對(duì)模擬結(jié)果的觀察和分析需要。根據(jù)現(xiàn)代沉積研究的觀測(cè)尺度以及氣候和降水量的周期性,同時(shí)考慮模擬運(yùn)算量,將模擬時(shí)間設(shè)置為一年,模擬計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2 min,輸出觀測(cè)記錄的時(shí)間步長(zhǎng)為6 h。依據(jù)研究區(qū)古地貌恢復(fù)結(jié)果,將模型的地形坡度設(shè)置為0.1‰。

針對(duì)數(shù)值模擬中河流流量、含沙量等水文地質(zhì)參數(shù),采用參考沉積規(guī)模相似的現(xiàn)代河流相關(guān)參數(shù)的方法來(lái)確定。根據(jù)研究區(qū)辮狀河構(gòu)型刻畫(huà)結(jié)果,以河道寬度、地貌(坡度)、沉積物類(lèi)型和粒度、心灘規(guī)模和幾何形態(tài)等為對(duì)比依據(jù),選取與實(shí)例區(qū)具有很高相似性的黃河龍門(mén)水文站河段和潼關(guān)水文站河段,作為相似現(xiàn)代沉積參考河段。根據(jù)近年來(lái)龍門(mén)水文站和潼關(guān)水文站的水文資料,設(shè)置模擬的入口邊界流量為40 m3/s(單位網(wǎng)格),沉積物總質(zhì)量濃度為9 kg/m3。

3.2 心灘沉積演化分析

沉積過(guò)程模擬結(jié)果顯示,在辮狀河沉積開(kāi)始階段,沉積物在向下游搬運(yùn)的過(guò)程中逐漸沉積下來(lái),形成心灘的早期雛形。之后在垂向加積、順流加積和側(cè)向加積的作用下,心灘規(guī)模逐漸增大,同時(shí)心灘的形態(tài)也在不斷的加積和侵蝕共同作用中產(chǎn)生變化和遷移(圖6)。

3.2.1 順流加積與垂向加積

在心灘發(fā)育過(guò)程中,心灘的頭部受到水流的沖刷侵蝕,而灘尾處則以沉積作用為主,出現(xiàn)順流逐漸生長(zhǎng)的特征,在宏觀上表現(xiàn)為心灘的整體順流遷移。同時(shí)心灘頂部也在垂向加積作用下逐漸加厚(圖7)。

以圖7中標(biāo)示的心灘為例,從模擬的948步到1 168步,根據(jù)平面上沉積物厚度隨時(shí)間的變化可以看出,該心灘尾部順流加積作用明顯,在沉積物不斷堆積的過(guò)程中形態(tài)從分叉狀逐漸合并成一個(gè)完整的灘尾。心灘迎水面的侵蝕作用對(duì)心灘形態(tài)的塑造要弱于灘尾的加積作用,這一點(diǎn)在順流向的縱向剖面圖上更加顯著。在模擬時(shí)間由948步到1 168步的過(guò)程中,灘頭侵蝕長(zhǎng)度為141 m,遷移速度為0.64 m/步,但灘尾加積范圍達(dá)到298 m,遷移速度達(dá)到1.35 m/步(圖8縱軸正值代表沉積,負(fù)值代表侵蝕;剖面位置見(jiàn)圖7剖面線AB;圖中紅色虛線框?yàn)橛^測(cè)的心灘位置)。灘頭侵蝕的速度和規(guī)模都要弱于灘尾的加積。

圖6 辮狀河心灘發(fā)育過(guò)程的模擬平面結(jié)果Fig.6 Simulation result of braided river deposition process on plane

心灘的垂向加積在剖面上最為顯著。以初始沉積厚度為基準(zhǔn),在上述沉積過(guò)程中,心灘最大沉積厚度增加了0.3 m,從剖面上不同時(shí)間的砂體頂面高度可以看到(圖8),垂向加積作用在心灘形成過(guò)程中具有普遍性,是主要的砂體沉積作用類(lèi)型,但在不同階段垂向加積的規(guī)模和速度存在差異。

3.2.2 側(cè)向侵蝕與加積

在心灘順流加積和垂向加積的過(guò)程中,由于心灘兩側(cè)水道的流速和水流能量差異,流速較高的一側(cè)水道對(duì)心灘沖刷,常出現(xiàn)以侵蝕為主;流速較小的一側(cè)水道對(duì)心灘的侵蝕速度慢或者發(fā)生砂體的加積,兩側(cè)水道對(duì)心灘作用的這種差異在宏觀上表現(xiàn)為心灘側(cè)向遷移。以圖7中標(biāo)示的心灘為例,從水流速度模擬結(jié)果的橫剖面上可以看到(圖9),該心灘兩側(cè)水道流速分別為0.87～1.09和0.64～0.87 m/s。左側(cè)辮狀水道流速大,對(duì)照該剖面上砂體厚度隨時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn)(圖10),心灘左側(cè)以侵蝕作用為主,砂體厚度隨時(shí)間減小,靠近心灘出現(xiàn)水道下切,而右側(cè)水道的侵蝕作用較弱,從剖面上的砂體厚度變化來(lái)看,右側(cè)砂體加積。

圖7 心灘順流加積過(guò)程中的平面形態(tài)變化Fig.7 Planar evolution of braided bar with downstream accretion

圖8 順流向縱剖面上心灘砂體頂面與河床底部距離隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of distance between braided bar top and channel bottom with time at downstream section

圖9 河道橫截面水流速度分布(剖面位置見(jiàn)圖7剖面線DC)Fig.9 Distribution of water velocity in cross profile of channel (location of the profile is marked in Fig.7 as line DC)

圖10 辮狀河橫剖面上心灘頂面與河床底部距離隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of distance between braided bar top and channel bottom with time at crosssection

從圖10的心灘橫剖面砂體厚度變化可以看到,在模擬時(shí)間從1 020步到1 140步的過(guò)程中,心灘左側(cè)侵蝕寬度約為26 m,右側(cè)的側(cè)向加積寬度約為6 m,侵蝕速度大于加積速度,在該剖面位置心灘橫向?qū)挾茸冃?宏觀上呈現(xiàn)向右側(cè)的遷移。在側(cè)向遷移的同時(shí),綜合圖7和圖8的砂體厚度變化可以看到,心灘也出現(xiàn)整體向下游方向的遷移。

4 解剖區(qū)心灘發(fā)育過(guò)程

通過(guò)研究心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)的刻畫(huà)結(jié)果和心灘沉積過(guò)程的數(shù)值模擬,對(duì)解剖區(qū)心灘發(fā)育過(guò)程進(jìn)行探討。解剖區(qū)心灘在形成初期規(guī)模較小,心灘生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)歷多次洪水期,心灘規(guī)模逐漸擴(kuò)大。從保留下來(lái)的落淤層發(fā)育情況看,有明顯地層記錄的大規(guī)模洪水沉積事件有5期。在第一個(gè)大規(guī)模洪水期過(guò)后,心灘的發(fā)育雛形已經(jīng)明確,心灘在順流加積和頭部侵蝕作用下,宏觀上表現(xiàn)為整體的不斷向下游遷移。在遷移過(guò)程中,由于頭部侵蝕速率小于尾部的加積速率,因此心灘整體在順流方向上尺度變大(圖5、11)。在沉積數(shù)值模擬中也得到了相同的規(guī)律和定量化的依據(jù)。

心灘頂部的一期落淤層在侵蝕作用下發(fā)育范圍局限,在莊5-15-6井處未能完整保留,在測(cè)井曲線上無(wú)法明顯識(shí)別(圖5);從縱剖面上看,第一期心灘規(guī)模小,這是在莊5-15-5井上沒(méi)有看到第一期增生體頂部落淤層沉積的原因。其后在順流加積作用下心灘順流生長(zhǎng)到莊5-15-5井位置,在該井處發(fā)育之后的幾期增生砂體。從橫剖面上看,心灘單側(cè)加積作用明顯,心灘頭部和中部在右側(cè)呈現(xiàn)出以侵蝕作用為主的特點(diǎn),形成心灘兩側(cè)的不對(duì)稱(chēng)加積,在宏觀上表現(xiàn)為心灘橫向遷移(圖11)。

圖11 研究區(qū)心灘演化模式(井平面位置見(jiàn)圖3)Fig.11 Evolution model of braided bar in study area (well position is as in Fig.3)

5 結(jié) 論

(1)將動(dòng)靜態(tài)資料相結(jié)合,刻畫(huà)研究區(qū)單一心灘及其內(nèi)部構(gòu)型,發(fā)現(xiàn)垂向加積、順流加積、側(cè)向加積和侵蝕作用共同塑造心灘的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

(2)心灘的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,灘頭的侵蝕與灘尾的順流加積是一個(gè)同時(shí)的過(guò)程,但是二者的作用強(qiáng)度會(huì)存在差異,侵蝕作用會(huì)造成灘頭部位落淤層發(fā)育差。心灘兩側(cè)河道的流速差異會(huì)造成心灘一側(cè)加積而另一側(cè)侵蝕,存在不對(duì)稱(chēng)的側(cè)向加積。垂向加積伴隨著心灘的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程,但是在不同階段以及心灘的不同部位,垂向加積速率存在差異。

(3)辮狀河水動(dòng)力特征復(fù)雜,心灘的成因機(jī)制和影響因素多樣,研究是對(duì)地下儲(chǔ)層心灘發(fā)育的探討,兩岸地貌差異、物源變化、氣候等因素對(duì)心灘發(fā)育的影響沒(méi)有單獨(dú)進(jìn)行詳細(xì)探討,這是下一步需要關(guān)注的問(wèn)題。此外基于泥沙水動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬多用在水利研究中,設(shè)計(jì)模擬時(shí)間尺度小于地質(zhì)時(shí)間尺度,兩個(gè)不同時(shí)間尺度上模擬結(jié)果的可對(duì)比性是沉積學(xué)家所關(guān)注的重點(diǎn)?？紤]到季節(jié)周期對(duì)河流沉積的控制,年度內(nèi)的沉積模擬對(duì)認(rèn)識(shí)辮狀河沉積演化具有參考意義。