基于數值模擬的辮狀河沉積模式

劉馳悅，張方利，張 瓊，楊肖利，熊 格

（長江大學地球科學學院，湖北武漢 430100）

我國油氣勘探開發以陸相含油氣盆地為主，陸相中的河流相儲層在我國當前開發的各種儲層中占比較大。河流相沉積砂體是油氣儲集的良好場所[1-5]，由于河流砂體巖性變化快，其內部儲層物性的非均質性較為明顯。垂向上以旋回下部河床亞相中的心灘砂質巖儲油物性較好，向上逐漸變差；橫向上透鏡體中部儲油物性較好，向兩側變差。心灘砂巖透鏡體可形成良好的巖性圈閉油藏[6-8]。但對于辮狀河至今尚未概況出得到大家認同的沉積模式[9-12]，常以加拿大魁北克省泥盆系巴特里角辮狀河垂向序列作為辮狀河沉積模式的代表。所以對辮狀河形成機理和沉積模式進行研究尤為重要，本文將以數值模擬形式對辮狀河心灘沉積特征進行研究，從而總結其形成機理和沉積模式。

1 辮狀河

辮狀河為多河道（見圖1），而且多次分叉和匯聚構成辮狀。河道寬而淺，彎曲度小，其寬深比值大于40，彎度指數小于1.5。河流坡降大，河道不固定，遷移迅速。沉積物搬運量大，以底負載搬運形式為主。發育于山區或河流上游河段以及沖積扇上。辮狀河發育心灘，形成砂巖透鏡體，是油氣的聚集區[13]。

圖1 辮狀河示意圖

目前對辮狀河形成機理尚不十分清楚[14]，但比較統一的認識是辮狀河具多河道、河床坡降大、寬而淺，側向遷移迅速等特點。心灘的上游方向較陡，沉積物較粗，并遭受侵蝕作用，而下游方向較平緩，主要發生沉積作用。對稱的螺旋形橫向環流亦導致心灘發生側向加積作用，由此而形成的巨波痕、大波痕等各種底形經過不斷遷移，可形成各種類型的交錯層理。

2 數值模擬

2.1 Delft3D 軟件

Delft3D 是荷蘭Delft 水力研究所研發的商用軟件，主要應用于自由地表水環境。該軟件具有靈活的框架，能模擬二維（水平面或豎直面）和三維的水流、波浪、水質、生態、泥沙輸移及床底地貌，及各個過程之間的相互作用。

2.2 模型參數設定

本次模擬實驗共設置9 組模型[15]，分別討論河流流量、沉積物濃度、沉積物配比以及水位高度對辮狀河沉積的影響（見表1）。

表1 實驗組別及參數設置

2.3 數值模擬

2.3.1 河流流量 在其他沉積條件相同的情況下，設置河流流量分別為S1：12 500 m3/s、S2：13 500 m3/s、S3：14 500 m3/s 三組模型進行數據模擬，從不同流量的數值模擬圖可知（見圖2）。模擬至第200 d，S3 模型心灘仍未形成，而S1 模型和S2 模型心灘已十分發育；模擬至第300 d，S3 模型心灘雖然已形成，但其數量和規模均不及S1 模型和S2 模型。對比數值模擬結果發現，流量越大，沉積物越不容易沉積下來，致使心灘欠發育。

圖2 不同河流流量條件下的模擬沉積圖（左圖第200 d，右圖第300 d）

2.3.2 沉積物濃度 在其他沉積條件相同的情況下，設置沉積物濃度分別為S4：0.08 kg/m3、S2：0.16 kg/m3、S5：0.24 kg/m3三組模型進行數值模擬，從不同沉積物濃度的數值模擬圖可知（見圖3）。模擬至第200 d，S4模型心灘欠發育，而S2 模型和S5 模型心灘已十分發育；模擬至第300 d，S4 模型心灘雖然已形成，但其數量和規模均不及S2 模型和S5 模型。通過數值模擬發現，在相同時間節點內，泥沙量供給較低時，辮狀河砂體發育緩慢，其平面展布面積隨之較小；泥沙量供給較高時，壩體規模、沉積厚度均較發育。

圖3 不同沉積物濃度條件下的模擬沉積圖（左圖第200 d，右圖第300 d）

2.3.3 沉積物配比 在其他沉積條件相同的情況下，設置砂泥比分別為S6：3∶5、S7：4∶4、S2：5∶3 三組模型進行數值模擬，從不同沉積物配比的數值模擬圖可知（見圖4）。模擬至第200 d，S2 模型心灘欠發育，而S6 模型和S7 模型心灘已十分發育；模擬至第300 d，S2 模型水道發生遷移，而S6 模型和S7 模型其水道相當穩定。通過數值模擬發現，砂質含量較高，水道越不穩定，易發生改道與遷移；而泥質含量較高，水道穩定。

圖4 不同沉積物配比條件下的模擬沉積圖（左圖第200 d，右圖第300 d）

2.3.4 水位高度 在其他沉積條件相同的情況下，設置了水位上升（S8）和水位下降（S9）兩組模型進行數值模擬，從不同水位變化的數值模擬圖可知（見圖5）。在心灘壩發育演化過程中隨著水位的上升，壩體存在向物源方向退積現象；水位下降，砂體發育，壩體隨著演化過程向前進積；在水平面穩定的情況下，壩體主要沿著水流方向延伸，整體形態呈“中間厚兩端薄”的透鏡狀。

圖5 水位變化條件下的模擬沉積圖（左圖第200 d，右圖第300 d）

3 模擬結果

軟件模擬結果表明：河流流量影響心灘的發育，流量越大，沉積物越不容易沉積下來，難以形成心灘砂壩。沉積物濃度越高，越易形成心灘砂壩，其規模及沉積厚度均較發育。高泥沙量有利于發育面積大、厚度大的心灘，當沉積物泥質含量較高時，水道相對穩定。水位變化是影響心灘發育方向的主要因素，在本次辮狀河模型中，水位上升，心灘存在向物源方向退積的現象，水位下降，心灘發育，心灘隨著演化過程向前進積，分析認為水位下降有利于心灘形成。

通過數值模擬結果分析認為：辮狀河沉積模式以心灘砂壩為主，由于受沉積河流流量、沉積物濃度、泥沙比及水位等因素的影響，心灘砂壩在縱橫向分布極不穩定，多為“中間厚兩端薄”的透鏡狀。本次數值模擬只考慮了影響辮狀河沉積的四種主要因素，其實大自然紛繁復雜，影響辮狀河沉積因素較多，各種因素相互影響、互相疊加，使得辮狀河沉積異常復雜和多樣。

4 結論與認識

通過選取影響辮狀河沉積的四種主要因素，設置9 組數值模型對辮狀河沉積模式進行了研究，形成以下結論和認識：

（1）河流流量及沉積物濃度主要影響心灘形成速度和發育規模，泥沙比影響水道穩定，水位高低影響心灘退積或進積。

（2）基于數值模擬的辮狀河沉積主要發育心灘砂壩，心灘上游由于水流侵蝕沖刷，不斷減小，遠端由于水體能量減弱，沉積物不斷堆積，致使心灘不斷往下游移動，形成“中間厚兩端薄”透鏡狀砂體。

（3）數值模擬結果表明，心灘砂壩在橫向上形成砂巖透鏡體，巖性、物性變化大，儲集物性較好的位于透鏡體砂巖的中部，其儲集層砂體厚度大，是油氣勘探的“甜點”。

（4）由于影響辮狀河沉積因素較多，各種因素相互疊加，使得辮狀河沉積異常復雜和多樣。