石富倫,劉忠保,李少華,郭長(zhǎng)春,史敬華
(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 434023;2.勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 東營(yíng) 257015)
河口壩砂體是在河流入湖或入海處,受河口作用控制而形成的三角洲前緣儲(chǔ)集砂體之一。Coleman JM提出了決定河口作用的三個(gè)基本要素,即慣性因素、摩擦因素和浮力因素[1]。Postma結(jié)合慣性、摩擦和浮力因素,考慮到蓄水體深淺、坡度的陡緩、注水速度、潮汐能量大小等對(duì)河口作用的影響進(jìn)行了深入研究[2-4]?;谇叭搜芯?本文以勝坨油田為例,對(duì)勝坨油田沙二段8砂組辮狀河三角洲沉積深入探討,重點(diǎn)對(duì)三角洲前緣河口壩發(fā)育的影響因素進(jìn)行研究,剖析了實(shí)驗(yàn)條件下影響河口壩發(fā)育的主控因素。
根據(jù)勝坨油田沙二段8砂組構(gòu)造、地層、古地貌、古氣候、水介質(zhì)、巖石相類(lèi)型和沉積類(lèi)型等要素的特征[5],經(jīng)相似準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為物理模型[6-7]。該模型平面比尺為1∶1000、垂向比尺為 1∶200,活動(dòng)底板沉降比尺1∶400。通過(guò)確定邊界條件、物源特征、來(lái)水時(shí)間、流量、加砂量、湖水位與活動(dòng)底板升降等模型參數(shù)控制,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)沉積過(guò)程和砂體三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖的實(shí)驗(yàn)。
勝坨油田沙二段8砂組為辮狀河三角洲沉積,選擇模擬區(qū)域長(zhǎng)9 km,寬6 km,設(shè)定模擬實(shí)驗(yàn)平面比例尺為1∶1000,垂向比例尺為1∶200,實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)Y方向2.5 m處為青坨子凸起物源,Y方向小于4.5 m為固定河道區(qū),4.5 m~12 m為湖盆沉積區(qū),自NE至SW單斜坡展布的底形坡降為2°~4°(圖1)。沙二段8砂組分為3個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回,對(duì)應(yīng)81、82、83三個(gè)小層,設(shè)計(jì)厚度從大到小依次為83期、82期、81期。工區(qū)巖性特征為,泥粉砂47.3%,細(xì)砂44.0%,中砂8.0%。模擬用沙為長(zhǎng)江河道內(nèi)的石英砂,粒徑比尺接近1∶1,即實(shí)驗(yàn)用沙粒徑級(jí)配與工區(qū)實(shí)際巖性特征相近,根據(jù)不同來(lái)水特征選用不同沙粒級(jí)配,洪水期中砂20%、細(xì)砂40%、泥粉砂40%,中水期中砂10%、細(xì)砂45%、泥粉砂45%,枯水期細(xì)砂50%、泥粉砂50%。設(shè)計(jì)最大沉降達(dá)15cm,砂體總厚度為56.4cm,沉降比尺接近1∶400。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)洪水、中水和枯水期流量比例為3∶2∶1,時(shí)間比例為1∶2∶1。
圖1 水槽模擬實(shí)驗(yàn)裝置
三個(gè)沉積期分別按中水-洪水-中水-枯水順序交替進(jìn)行,各沉積期沉積用時(shí)、沉積水深、第1~4排活動(dòng)底板升降柱沉降量及最終砂體延伸范圍見(jiàn)表1。模擬結(jié)果切片采用25cm×25cm網(wǎng)格進(jìn)行,根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況劃分了17條縱剖面,28條橫剖面。
表1 勝坨油田沙二段8砂組模擬實(shí)驗(yàn)沉積過(guò)程
勝坨油田沙二段8砂組屬于深水三角洲沉積,湖盆水體為淡水,因此勝坨油田辮狀河三角洲前緣河口壩沉積屬于以為慣性力起主導(dǎo)作用的河口沉積模式。除了慣性力作用對(duì)河口壩影響外,河口壩發(fā)育主要受底形坡度、物源供給、流量大小、構(gòu)造沉降及沉積水深等五個(gè)主要因素控制。
底形坡度最直接的影響是湖泊水體的水深變化,坡度越陡,水深變化越大,快速堆積的河口壩砂體厚度變化也越大,伏于下方泥質(zhì)沉積物在河口壩砂體重力作用下發(fā)生蠕動(dòng)[8],河口壩形態(tài)被擠壓或拉伸(圖2)。沉積厚度進(jìn)一步增加,在重力作用或者水位下降的情況下,三角洲前緣發(fā)生滑塌,形成濁流沉積,致使河口壩不易形成和保存[9-12]。底形坡度平緩的沉積環(huán)境中,水系發(fā)散,河口壩分布范圍廣且厚度穩(wěn)定,有利于河口壩砂體大面積連片發(fā)育,并有利于砂體保存。
物源供給是形成河口壩的物質(zhì)條件,只有當(dāng)沉積速率大于基底沉降速率,以及河流提供沉積物的速度比由當(dāng)?shù)嘏璧刈饔迷俜峙涞乃俣纫?河口處堆積的沉積物得以保存,才能形成河口壩[3]。在實(shí)驗(yàn)條件下,沉積湖盆無(wú)波浪、潮汐等再分配作用營(yíng)力,沉積速率遠(yuǎn)大于基底沉降速率,有利于河口壩發(fā)育。但在物源供給充足、輸沙平衡和供給不足情況下,河口壩發(fā)育情況有所不同。
圖2 河口壩擠壓-拉伸示意圖
物源供給充足情況下,河流不足以帶走所有的沉積物,致使河道淤塞,河床升高,河流溢岸沉積,形成很多支小流量河流甚至水流呈片狀流動(dòng)而無(wú)明顯河岸,形成單個(gè)河口壩規(guī)模較小,河口壩連片性較好(圖3(a))。輸沙平衡狀態(tài)下,河流不會(huì)發(fā)生淤塞和下切作用,發(fā)生側(cè)向侵蝕作用,分流河道發(fā)育數(shù)量較少,單一分流河道匯聚更多流量,可形成規(guī)模較大的河口壩(圖3(b))。物源供給不足,河流同時(shí)垂向和側(cè)向切割早期沉積砂體,河道兩側(cè)砂體連片出露,河口壩發(fā)育規(guī)模小,生長(zhǎng)速率慢。(圖3(c))。
圖3 不同物源供給狀態(tài)下河口壩發(fā)育示意圖
流量大小對(duì)單一河口壩規(guī)模及砂體內(nèi)部粒度分布特征影響較大。洪水搬運(yùn)能力強(qiáng),是形成河口壩的主要時(shí)期,河流呈強(qiáng)片流、強(qiáng)分流流動(dòng)特點(diǎn),在靠近湖盆端形成強(qiáng)分流區(qū),分流河道發(fā)育眾多,單一分流河道流量大,河口壩規(guī)模也較大,同期發(fā)育河口壩相互疊置呈連片狀(圖4(a))。中水流量有限,河口壩規(guī)模大小不一,呈現(xiàn)因單一河流擺動(dòng)而形成的不同期河口壩疊置形式(圖4(b))??菟h(huán)境下河流流量低,多數(shù)河流水量減少甚至斷流,主要攜帶較細(xì)顆粒沉積物,形成細(xì)粒小規(guī)模河口壩(圖4(c))。
洪水或中水條件下流量集中時(shí)流速較大[13],可達(dá)0.6 m/s~0.8 m/s,高流速有利于河流中跳躍、懸浮載荷在入湖處的粒度分異,河口壩砂體分選良好,反粒序現(xiàn)象明顯(圖5(a));枯水條件或者中水條件下因分流河道較多,單一分流河道流量少致使流速較低僅0.35 m/s~0.42 m/s,甚至更低,低流速不足以分異粗細(xì)顆粒,致使粗細(xì)顆粒均在河口壩處堆積,甚至粗顆粒沉積物沿前緣滾落,出現(xiàn)局部正粒序假象(圖5(b))。
構(gòu)造沉降影響著底形和水深的變化,進(jìn)而影響河口壩的發(fā)育。沉積模擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)活動(dòng)底板的升降模擬構(gòu)造沉降,活動(dòng)底板下降,三角洲河口壩退積覆于早期河口壩之上?;顒?dòng)底板小幅下降,漫過(guò)早期河口壩的水域沉積水深實(shí)際變小,縱向發(fā)育速率明顯大于橫向,所沉積河口壩厚度較薄,長(zhǎng)寬比,寬厚比都較大(圖6)。
圖4 不同流狀態(tài)下河口壩發(fā)育示意圖
圖5 不同流速對(duì)河口壩內(nèi)部砂粒的分異效果
圖6 基底沉降對(duì)河口壩發(fā)育的影響示意圖
沉積水深變化影響河口壩形態(tài)、厚度及保存狀況。沉積水深穩(wěn)定條件下河口壩垂向發(fā)育受限,砂體平面連續(xù)性較好(圖7(a))。湖水位下降,河流溯源侵蝕,切割早期河口壩,并以被切割掉的沙粒物質(zhì)作為新生成河口壩的物質(zhì)來(lái)源(圖7(b))。在沉積物供應(yīng)速率相同情況下,沉積水體淺,河口壩發(fā)育厚度薄,但向前推進(jìn)速度快;沉積水體深,河口壩厚度大,向前延伸速度慢(圖8)。湖盆中沿Y方向是沉積水深逐漸增加的過(guò)程,隨著水深的增加,因砂粒垂向填充湖盆距離的增大,三角洲向前推進(jìn)的速率變緩。以第三沉積期為例,在Y=4.5m~8 m內(nèi),三角洲推進(jìn)速率為0.17 m/h,Y=8m~10 m,速率為0.03 m/h,Y=10 m~11.5 m,速率為0.02 m/h,相應(yīng)地河口壩生長(zhǎng)速率也變緩。
圖7 湖水位變化對(duì)河口壩發(fā)育的影響示意圖
沉積水深對(duì)河口壩發(fā)育的厚度起決定作用。對(duì)剖面研究發(fā)現(xiàn),河口壩厚度等于沉積水深加上水平面以上砂體厚度(圖8)。圖8中A處河口壩厚度H=H1+h=22.8cm。表2列出第二、第三沉積期河口壩厚度變化值,在第二期砂體覆蓋第一期,第三期覆蓋第二期部分,水體的快速增加導(dǎo)致河口壩厚度有一個(gè)突變值。
圖8 沉積水深影響河口壩發(fā)育厚度示意圖
表2 勝坨油田沙二段8砂組模擬實(shí)驗(yàn)第二、三沉積厚度
事實(shí)上,河口壩的發(fā)育不僅受單因素作用控制,更是受多因素共同影響,底形坡度和構(gòu)造沉降共同決定沉積水深,進(jìn)而影響河口壩厚度,湖水位的升降影響河口壩垂向疊置關(guān)系;流量大小與物源供給往往呈現(xiàn)正相關(guān),成為影響河口壩發(fā)育速率、規(guī)模的重要因素。
應(yīng)用沉積模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù),結(jié)合前人研究,在充分消化實(shí)際資料的基礎(chǔ)上開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了河口壩發(fā)育的主控因素,主要包括底形坡度、物源供給、流量大小、構(gòu)造沉降和沉積水深等五個(gè)方面。底形坡度等河口壩保存狀況有較大影響。物源供給是形成河口壩的物質(zhì)條件,物源供給充足及輸沙平衡狀態(tài)下,河口壩以建設(shè)性為主,物源供應(yīng)不足,河口壩底部遭受剝蝕。流量影響河口壩發(fā)育的規(guī)模,洪水期及中水期流量集中時(shí),發(fā)育河口壩規(guī)模較大;枯水期及中水期物源供給充足時(shí),發(fā)育河口壩規(guī)模較小;因流量引起的流速變化對(duì)河口壩內(nèi)部砂粒分別有較大影響,高流速時(shí)河口壩反粒序明顯,低流速對(duì)河口壩砂粒分選效果很差?;讜?huì)增加河口壩垂向疊置的復(fù)雜度。沉積水深對(duì)河口壩厚度起決定作用,沉積水深大,則河口壩厚度也較大;湖水位上升會(huì)導(dǎo)致薄層河口壩在垂向上疊置,湖水位不變河口壩連片性較好,湖水位下降河口壩頂部砂體遭受剝蝕。
[1]Coleman J M.Brahmaputra River:Channel processes and sedimentation[J].Sedimentary Geology,1969,3(2-3):129-239.
[2]Postma G.An analysis of the variation in delta architecture[J].Terra Nova,1990,2(2):124-130.
[3]Reading HG.Sedimentary environments andfacies[M].Oxford:Blackwell Scientific Publication,1986.
[4]Andrew D Miall.Fluvial sedimentology[M].Canadian Society of Petroleum Geologists,1977:123-128.
[5]薛叔浩,錢(qián) 凱,等.中國(guó)含油氣盆地沉積學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1993.
[6]賴(lài)志云,賴(lài)偉慶,劉 震.湖盆模擬實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.
[7]張春生,劉忠保.現(xiàn)代河湖沉積與模擬實(shí)驗(yàn)[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.
[8]Janok P.Bhattacharya Deltas[M].Society for Sedimentary Geology,2006:237-292.
[9]張關(guān)龍,陳世悅,鄢繼華,等.三角洲前緣滑塌濁積體形成過(guò)程模擬[J].沉積學(xué)報(bào),2006,24(1):50-55.
[10]鄢繼華,陳世悅,宋國(guó)奇,等.三角洲前緣滑塌濁積巖形成過(guò)程初探[J].沉積學(xué)報(bào),2004,22(4):573-578.
[11]鄢繼華,陳世悅,姜在興,三角洲前緣濁積體成因及分布規(guī)律研究[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2008,30(1):16-19,25.
[12]劉忠保,王新海.濁積砂體形成與分布的沉積模擬[M].北京:石油工業(yè)出版社,2010.
[13]趙振興,何建京.水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.