物理沉積模擬研究歷史及現(xiàn)狀

沉積物理模擬研究始于19世紀(jì)末期，至今己走過(guò)了逾百年坎坷不平的研究歷程。可將沉積模擬研究分為三個(gè)階段：即19世紀(jì)末至20世紀(jì)60年代的初期階段、20世紀(jì)60年代至80年代的迅速發(fā)展階段和90年代以來(lái)的半定量研究及湖盆砂體模擬階段，每個(gè)階段都有其研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為，20世紀(jì)60年代以后的沉積模擬研究成果推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與繁榮，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)的飛速發(fā)展，奠定了現(xiàn)代沉積學(xué)的基礎(chǔ)。（一）沉積物理模擬技術(shù)的研究歷史1.以現(xiàn)象觀(guān)察描述為主要研究?jī)?nèi)容的初級(jí)階段19世紀(jì)末，笛康（Deacon，1894）首次在一條玻璃水槽中觀(guān)察到泥砂運(yùn)動(dòng)形成的波痕，并對(duì)其進(jìn)行描述。吉爾伯特（Gilbert，1914）第一次用各種粒徑的砂在不同的水流強(qiáng)度下進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)，較詳細(xì)地觀(guān)察和描述了一系列沉積現(xiàn)象和沉積構(gòu)造，他當(dāng)時(shí)描述的砂丘后來(lái)被其他研究者命名為不對(duì)稱(chēng)波痕。此后在20世紀(jì)四五十年代，愛(ài)因斯坦（Einstein，1950）、布魯克斯（Brooks，1965）、伯格諾爾多（Bagnold，l954，1966）等亦完成了一些開(kāi)拓性的實(shí)驗(yàn)，并建立了實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)的一些基本方法，但這一時(shí)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總體比較簡(jiǎn)單，多以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀(guān)察和描述為主，缺乏理論分析和指導(dǎo)。西蒙斯和理查德森（Simons et al.，1961，1965）關(guān)于水槽實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)研究報(bào)告在沉積學(xué)界引起震動(dòng)，應(yīng)看做是該時(shí)期實(shí)驗(yàn)研究的代表性成果。Simons的實(shí)驗(yàn)是在一長(zhǎng)為150ft、寬8ft、深2ft的傾斜循環(huán)水槽上進(jìn)行的，水槽的坡度可在0～0.013°之間變化，流量變化范圍為2～22ft3/s。此外，Simons等人的特殊研究還用到一個(gè)長(zhǎng)60ft、寬2ft、深2.5ft的較小的傾斜循環(huán)水槽，小水槽的底坡可在0～0.025°之間變化。2ft寬的小水槽中進(jìn)行特殊研究是為了確定黏度、河床質(zhì)密度和河床質(zhì)的分選情況在沖積河道流動(dòng)中的重要作用而進(jìn)行的。Simons給出了8ft寬的大水槽中用到的河床質(zhì)的粒徑分布和2ft寬的小水槽中用到的河床質(zhì)的粒徑分布。除特別規(guī)定外，粒徑分布均以沉降粒徑表示（Colby，1964），這一分布曲線(xiàn)是建立在試驗(yàn)研究期間和試驗(yàn)研究之后對(duì)隨機(jī)抽取的大量砂樣進(jìn)行粒度分析的基礎(chǔ)之上。Simons和Richardson自1956、1965年完成了一系列的實(shí)驗(yàn)，每次試驗(yàn)的一般步驟是：就一給定的水-泥砂混合物流量進(jìn)行循環(huán)，直到建立起平衡流動(dòng)條件為止。Simons把平衡流動(dòng)定義成這樣的一種流動(dòng)，即除進(jìn)出口效應(yīng)波及的范圍不計(jì)外，在整個(gè)水槽上流動(dòng)所確立的床面形態(tài)和底坡與流體流動(dòng)和河床質(zhì)特征相一致，也就是說(shuō)，水流的時(shí)均水面坡度為一常數(shù)，并與時(shí)均河床底坡平行，而且河床質(zhì)流量的濃度為一常數(shù)。注意，Simons等在此特別強(qiáng)調(diào)，這里不應(yīng)把平衡流動(dòng)與恒定均勻流動(dòng)的概念混淆起來(lái)，因?yàn)閷?duì)于水砂平衡流動(dòng)，流速在同一空間點(diǎn)以及從這一空間點(diǎn)到另一空間點(diǎn)都可以變化。即除平坦底形外，在沖積河道中并不存在經(jīng)典定義的恒定均勻流的情況。2.以沉積機(jī)理研究為主要內(nèi)容的迅速發(fā)展時(shí)期20世紀(jì)60～80年代，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模擬實(shí)驗(yàn)的裝備及技術(shù)日趨完善，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容己不僅僅局限在沉積現(xiàn)象的觀(guān)察與描述方面，而深入到沉積機(jī)理的研究。Schumm（1968，1971，1977）和Williams用水槽實(shí)驗(yàn)研究了凹凸不平的底床對(duì)流量變化的反應(yīng)；Kailinske（1987）、Cheel（1986）、Fraser（1990）、Bridge（1981）、Leeder（1983）、Luque（1974）、Crowley（1983）、Bridge（1988，1976）、Yalin（1979，1972）、Coleman（1973）、Dietrich（1978）、Bridge et al.（1976）、Saunderson（1983）和趙霞飛（1982）從室內(nèi)到野外研究了各類(lèi)底形的生長(zhǎng)情況；麻省理工學(xué)院地球和行星科學(xué)系的蘇薩德與他的同事博格瓦爾（Southard et al.，1973）用一條長(zhǎng)6m、寬17cm、深30cm的傾斜水槽進(jìn)行了從波紋到下部平坦床砂的實(shí)驗(yàn)研究，繼而在1981年，又與加拿大學(xué)者科斯特羅（Costello et al.，1981）合作，在一條長(zhǎng)11.5m、寬0.92m的水槽中用分選很好的粗砂研究下部流態(tài)底形的幾何、遷移和水力學(xué)特征。Southard（1971）還與新澤西州立大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系的埃施里（Ashley，1982）分別用水槽模擬爬升波紋層理的沉積特征，應(yīng)用水深和平均速度來(lái)表征在松散泥砂河床的明渠均勻流中的床面形態(tài)，如果以無(wú)因次水深、速度和粒徑（或者以這三個(gè)變量本身）為坐標(biāo)，便可得到一種三維空間曲面圖形，圖中各點(diǎn)可能的床面形態(tài)具有一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)。這一時(shí)期有三個(gè)學(xué)者值得提及，他們是J.B.Southand、J.R.L.Allen和J.L.Best，由于他們的出色工作，使沉積學(xué)科有了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，也使沉積模擬研究煥發(fā)了新的生命力。本階段后期，模擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容已十分廣泛，如濁流模擬實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)、風(fēng)暴模擬實(shí)驗(yàn)等。這些模擬實(shí)驗(yàn)不僅促進(jìn)了沉積學(xué)理論的發(fā)展，而且對(duì)油氣勘探開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際意義。例如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局自20世紀(jì)70年代開(kāi)始用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究風(fēng)成砂丘的特征，并深入研究砂層的滲濾特征，從而為研究采收率服務(wù)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷程，40～60年代，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)主要用于研究砂和土壤的搬運(yùn)機(jī)理，學(xué)者有伯格諾爾多（Bagnold，1914）、切皮爾和烏德拉夫（Chepil et al.，1963）等，70～80年代，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已用于風(fēng)成沉積構(gòu)造和形成機(jī)理的研究。邁克等（Mckee et al，1971）用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)成砂丘背風(fēng)面由滑塌作用形成的各種變形構(gòu)造，弗里傅格和施恩克（Fryberger et al.，1981）的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)有了進(jìn)一步發(fā)展，這個(gè)風(fēng)洞由一個(gè)槽和盆組成，槽長(zhǎng)4.27m，寬61cm，高45.7cm，盆長(zhǎng)4.27m，寬61cm，高1.83m。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)著重研究波痕、滑塌和顆粒降落形成的沉積特征，并描述它們的形成條件。60年代以后，濁流模擬實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越受到重視，從事這方面工作的有米德?tīng)栴D（Middleton，1976b，1976，1977）、里德?tīng)枺≧iddell，1969）和拉瓦爾等（Laval et al，1988）。70年代的模擬實(shí)驗(yàn)雖有所深入，但還未能利用數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)砂丘規(guī)模（包括長(zhǎng)度和厚度）的變化。雖然塞利（Selley，1979）和艾倫（Allen，1976）曾提出過(guò)充滿(mǎn)希望的方法，但未能在控制條件下，用這些方法詳細(xì)而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)底形變化。這一時(shí)期，從事實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)者還有拉斯本等（Rathbun et al，1969）、威廉姆斯（Williams，1967）、李斯（Rees，1966）等。3.以砂體形成過(guò)程和演化規(guī)律為主要研究?jī)?nèi)容的湖盆砂體模擬階段20世紀(jì)80～90年代，沉積模擬研究進(jìn)入了以砂體形成過(guò)程和演化規(guī)律為主要研究?jī)?nèi)容的湖盆砂體模擬階段。該階段不僅注重解決理論問(wèn)題，更注重解決實(shí)際問(wèn)題，與油氣勘探開(kāi)發(fā)結(jié)合起來(lái)。如果仔細(xì)研究20世紀(jì)80年代以前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及國(guó)外文獻(xiàn)，不難發(fā)現(xiàn)，在此之前沉積模擬實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題主要有三個(gè)方面：一是實(shí)驗(yàn)條件，以前的水槽實(shí)驗(yàn)多采用分選好的砂，忽視粉砂和礫的沉積作用；另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程多采用均勻流，忽視非均勻流；多在穩(wěn)定狀態(tài)平衡條件下進(jìn)行，忽視非穩(wěn)定狀態(tài)的影響，而這些被忽視的因素正是自然環(huán)境下普遍存在的底床形成條件。二是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以前的水槽實(shí)驗(yàn)主要模擬河流及濁流的搬運(yùn)與沉積作用，對(duì)盆地沉積體系和砂體展布的模擬實(shí)驗(yàn)以及對(duì)砂體規(guī)模和延伸的定量預(yù)測(cè)則不夠或者說(shuō)基本沒(méi)開(kāi)展此方面的研究。三是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，以前的水槽?shí)驗(yàn)主要著眼于沉積學(xué)基礎(chǔ)理論的研究，對(duì)實(shí)際應(yīng)用考慮不多，其原因就在于從事這方面的實(shí)驗(yàn)有許多實(shí)際困難，例如，做礫級(jí)沉積物的實(shí)驗(yàn)需要更寬、更深、流量更大的水槽，做粉砂級(jí)實(shí)驗(yàn)需要更嚴(yán)格的化學(xué)和物理?xiàng)l件，做大型盆地沉積體系的模擬實(shí)驗(yàn)耗資大，需要更高級(jí)的技術(shù)裝備和控制系統(tǒng)等。20世紀(jì)80年代之后，針對(duì)上述方面存在的嚴(yán)重不足，各國(guó)實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)家調(diào)整研究思路，克服重重困難，在盡量保持原有特色的基礎(chǔ)上，或?qū)υ械膶?shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大規(guī)模的改造或重新建立適合于砂體模擬的大型實(shí)驗(yàn)室。值得提及的有下面三個(gè)。1）科羅拉多州立大學(xué)工程研究中心的大型流水地貌實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置主要模擬河流沉積作用，同時(shí)可模擬天然降雨對(duì)河流地貌的影響，以及在不同邊界條件下河床變形規(guī)律、單砂體的形成機(jī)制等。美國(guó)許多實(shí)驗(yàn)沉積學(xué)家在該實(shí)驗(yàn)室完成了一系列實(shí)驗(yàn)（Baridge，1993；Bryant，1993），我國(guó)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者賴(lài)志云教授也在此完成了鳥(niǎo)足狀三角洲形成及演變的模擬實(shí)驗(yàn)。2）瑞士聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院Delft模擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室隸屬于荷蘭河流和導(dǎo)航分局，是一個(gè)較現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室。為了從事應(yīng)用基礎(chǔ)研究，該室專(zhuān)門(mén)建成了一個(gè)大型水槽，水槽用加固混凝土建造，觀(guān)察段由帶玻璃窗的鋼架構(gòu)成。水槽總長(zhǎng)98m，寬2.5m，帶玻璃窗段長(zhǎng)50m，測(cè)量段長(zhǎng)30m，測(cè)量段寬為0.3m和1.5m。沒(méi)有沉積物時(shí)的最大水深為1m。水槽周?chē)惭b了各種控制和測(cè)量裝置，微機(jī)和微信息處理機(jī)能自動(dòng)取得數(shù)據(jù)和自動(dòng)改變各種邊界條件（如流量）等。在玻璃窗段的上方架設(shè)軌道，供儀器車(chē)運(yùn)行。儀器車(chē)上安裝了三個(gè)剖面顯示器和一個(gè)水位儀，這樣可以測(cè)量三條縱向底床水平剖面，通常一條位于水槽中間，另兩條位于距槽壁1/6槽寬處。記錄的資料由微機(jī)收集、儲(chǔ)存和計(jì)算，最后輸出成果。1983年，該室的項(xiàng)目工程師Wijbenga和項(xiàng)目顧問(wèn)Klaasen用這個(gè)裝置研究了在不穩(wěn)定流條件下底形規(guī)模的變化，資料處理以后，針對(duì)每個(gè)過(guò)渡帶，自動(dòng)繪出水深與時(shí)間、砂丘高度與時(shí)間、砂丘長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，從而確定底形規(guī)模的變化規(guī)律。歐洲學(xué)者在此完成了小型沖積扇和扇三角洲形成過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)，取得了一些定性和半定量的成果。3）日本筑波大學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)343m，寬數(shù)米（具體數(shù)字不詳），自動(dòng)化程度較高，監(jiān)測(cè)設(shè)備相對(duì)齊全，分析手段比較先進(jìn)，相繼完成了海浪對(duì)沉積物的搬運(yùn)和改造、飽和輸砂及非飽和輸砂的河流沉積體系、湖泊沉積與水動(dòng)力學(xué)等一系列實(shí)驗(yàn)，有一批世界各地的客座研究人員，定期發(fā)布研究成果。由此看來(lái)，20世紀(jì)80～90年代沉積模擬有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是逐漸由定性型描述向半定量或定量型研究轉(zhuǎn)變，另一個(gè)是由小型水槽實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向大型盆地沉積體系模擬。（二）國(guó)內(nèi)沉積物理模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.國(guó)內(nèi)沉積物理模擬研究的基本概況1985年以前，我國(guó)的水槽實(shí)驗(yàn)室主要集中于水利、水電和地理部門(mén)的有關(guān)院校和研究單位，從事泥砂運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河道演變和大型水利水電樞紐工程等的實(shí)驗(yàn)研究。70年代末，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院建成了第一個(gè)用于沉積學(xué)研究的小型玻璃水槽，這個(gè)水槽長(zhǎng)6m，高80cm，寬25cm，主要研究底形的形成與發(fā)展。80年代，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所也用自己的小型水槽做了一部分研究工作。這是我國(guó)曾經(jīng)僅有的兩條以沉積學(xué)研究為主而建立的水槽，雖然在研究?jī)?nèi)容、深度和廣度上與國(guó)際水平相比還有一定差距，但為我國(guó)沉積模擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展邁開(kāi)了第一步。隨著沉積學(xué)理論的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)必須轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的需要，我國(guó)的油氣勘探開(kāi)發(fā)形勢(shì)對(duì)定量沉積學(xué)、儲(chǔ)層沉積學(xué)和沉積模擬實(shí)驗(yàn)提出了一些急待解決的實(shí)際問(wèn)題。多年來(lái)，在我國(guó)東部陸相斷陷湖盆的研究中，一直存在一些爭(zhēng)論不休的問(wèn)題，如湖盆陡坡沉積體系、扇三角洲、水下扇的形成條件和分布規(guī)律以及裂谷湖盆與坳陷湖盆沉積體系的區(qū)別等，都期待著沉積模擬實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證；不同類(lèi)型的單砂層的形態(tài)、規(guī)模和延伸方向等也需要沉積模擬實(shí)驗(yàn)予以合理預(yù)測(cè)。因此，1985年以后，許多沉積學(xué)家積極呼吁：根據(jù)當(dāng)前世界沉積學(xué)發(fā)展的動(dòng)向以及我國(guó)油氣勘探開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)實(shí)際和今后發(fā)展的需要，應(yīng)建立我國(guó)的沉積模擬實(shí)驗(yàn)室。專(zhuān)家認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)室應(yīng)以模擬陸相盆地沉積砂體為主要對(duì)象，以?xún)?chǔ)層研究為重點(diǎn)，解決生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題，以陸相湖盆中砂體的分布、各類(lèi)砂體規(guī)模和性能的定量預(yù)測(cè)、提高勘探成功率和開(kāi)發(fā)效益為主要目標(biāo)；此外，實(shí)驗(yàn)室的建立還應(yīng)兼顧沉積學(xué)的各項(xiàng)基礎(chǔ)研究，為人才培養(yǎng)、對(duì)外交流等提供條件，推動(dòng)我國(guó)沉積學(xué)理論的發(fā)展，并逐步發(fā)展成為面向全國(guó)的沉積模擬實(shí)驗(yàn)室。這一實(shí)驗(yàn)室的建立也是理論研究轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要手段，是與世界范圍內(nèi)油氣勘探開(kāi)發(fā)中以?xún)?chǔ)層為主攻目標(biāo)的動(dòng)向相一致，于是CNPC沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室便應(yīng)運(yùn)而生。2.CNPC沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介（1）裝置規(guī)模CNPC沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)16m，寬6m，深0.8m，距地平面高2.2m，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)。整個(gè)湖盆采用混凝土澆鑄，以保證不滲不漏。湖盆四周設(shè)環(huán)形水道。湖盆屋頂采用槽鋼石棉瓦結(jié)構(gòu)，能夠保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程不受天氣變化的影響并有利于采光。（2）活動(dòng)底板及控制系統(tǒng)活動(dòng)底板系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。針對(duì)我國(guó)東部斷陷盆地的實(shí)際情況，沒(méi)有基底的升降，便不能產(chǎn)生斷裂體系，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)便不能模擬，構(gòu)造對(duì)沉積控制作用的模擬便不能實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室的功能和作用將大大降低，因此，在湖盆區(qū)設(shè)置活動(dòng)底板是必要的。實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)底板區(qū)由四塊活動(dòng)底板組成，每塊活動(dòng)底板面積2.5m×2.5m=6.25m2，活動(dòng)底板能向四周同步傾斜、異步傾斜、同步升降、異步升降?；顒?dòng)區(qū)傾斜坡度arctan 0.35、上升幅度10cm、下降幅度35cm、同步誤差小于2mm。每塊底板由四根支柱支撐，不漏水不漏砂，而且運(yùn)動(dòng)靈活可靠，基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求?；顒?dòng)底板的控制由16臺(tái)步進(jìn)電機(jī)、16臺(tái)減速機(jī)、四臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源、計(jì)算機(jī)及電子元器件實(shí)現(xiàn)，由計(jì)算機(jī)輸出脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并轉(zhuǎn)化為活動(dòng)底板的升降。步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，升降速度可根據(jù)需要調(diào)整，從而滿(mǎn)足自然界地殼運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的要求。（3）檢測(cè)橋驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)為了對(duì)砂體沉積過(guò)程實(shí)施有效監(jiān)控，并便于砂體檢測(cè)，目前在湖盆上設(shè)置一座6m跨度、1m寬度的檢測(cè)橋。測(cè)橋具有以下幾個(gè)功能：①測(cè)橋可在縱向16m范圍內(nèi)自由移動(dòng)并自動(dòng)定位，導(dǎo)軌和測(cè)橋的機(jī)械誤差小于2mm，以保證達(dá)到高精度砂體形態(tài)檢測(cè)的要求；②測(cè)橋一端設(shè)置控制平臺(tái)，以便控制測(cè)橋的自動(dòng)定位和自動(dòng)檢測(cè)；③測(cè)橋上設(shè)置一套CCD激光光柵檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可橫向移動(dòng)6m，用于疊加檢測(cè)，以提高測(cè)量精度；④測(cè)橋中部設(shè)置一個(gè)檢測(cè)小車(chē)，可在6m跨度內(nèi)移動(dòng)，對(duì)砂體沉積過(guò)程進(jìn)行掃描。3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）沉積學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介斷陷盆地是我國(guó)東部地區(qū)中新生代以來(lái)形成的一類(lèi)典型的陸內(nèi)裂谷盆地，蘊(yùn)含豐富的油氣資源。隨著油氣勘探重點(diǎn)向地層、巖性油藏的轉(zhuǎn)移，斷陷盆地內(nèi)部的濁積巖砂體也成為隱蔽油氣藏勘探的重要領(lǐng)域。然而，由于斷陷盆地濁積巖砂體的形成和分布受到多種因素的影響，形成過(guò)程又具有一定的突發(fā)性，致使目前對(duì)其的認(rèn)識(shí)仍停留在通過(guò)地震、鉆井資料的定性分析階段，對(duì)其成因和動(dòng)力學(xué)機(jī)制認(rèn)識(shí)不深刻，也沒(méi)有形成能夠有效預(yù)測(cè)的方法。而物理沉積模擬可以再現(xiàn)濁積砂體的形成過(guò)程、發(fā)展演化規(guī)律，從而建立流體流動(dòng)模型，預(yù)測(cè)砂體形態(tài)和分布規(guī)律，探討濁積砂體發(fā)育的控制因素。中國(guó)石油大學(xué)（華東）沉積學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)室正是在此前提下建立起來(lái)的。中國(guó)石油大學(xué)（華東）沉積學(xué)水槽實(shí)驗(yàn)室始建于2002年，由實(shí)驗(yàn)水槽、加砂槽和內(nèi)置底形模板三部分組成，經(jīng)過(guò)多次改造，成功進(jìn)行了斷陷盆地陡岸砂礫巖體、扇三角洲、三角洲前緣滑塌濁積體、震濁積巖等實(shí)驗(yàn)?zāi)M。實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)壁長(zhǎng)5m、寬2m、高1m，長(zhǎng)軸側(cè)壁為玻璃，便于觀(guān)察和照相，短軸側(cè)壁及底面均為厚25cm的水泥壁，整個(gè)水槽置于高40cm的底座之上。短軸側(cè)壁一端裝有進(jìn)水口，另一端裝有出水口，進(jìn)水口處外接一加砂槽，沉積物與水同時(shí)由加砂槽注入水槽。水槽內(nèi)放一活動(dòng)金屬支架，支架表面鋪設(shè)鐵板，用來(lái)模擬原始底形，通過(guò)升降控制桿可調(diào)節(jié)底形坡度。支架上固定一金屬管，作為震源觸發(fā)點(diǎn)，通過(guò)施加外力敲擊金屬管模擬震動(dòng)的發(fā)生（圖10-1，圖10-2）。圖10-1 水槽模擬實(shí)驗(yàn)裝置剖面圖（單位：cm）（三）沉積模擬研究的發(fā)展趨勢(shì)20世紀(jì)90年代以后，沉積物理模擬技術(shù)出現(xiàn)了一些新的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)，這些發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下五個(gè)方面。1.物理模擬與數(shù)值模擬的日益結(jié)合沉積模擬研究經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，取得了一批優(yōu)秀的學(xué)術(shù)成果。然而這些成果主要集中在物理模擬研究方面，隨著計(jì)算機(jī)在地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的普遍應(yīng)用，碎屑砂體沉積過(guò)程的數(shù)值模擬研究正逐漸發(fā)展成為沉積模擬技術(shù)的一個(gè)重要分支，并且日益與物理模擬相互滲透，二者相輔相成，相互依賴(lài)，相互促進(jìn)。碎屑沉積過(guò)程的物理模擬與數(shù)值模擬的多層面結(jié)合是沉積模擬技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過(guò)物理模擬與數(shù)值模擬的結(jié)合，數(shù)值模擬研究可以擺脫人為因素的干擾，物理模擬過(guò)程可為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬提供定量的參數(shù)，使數(shù)值模擬有可靠的物理基礎(chǔ)，更接近于油田生產(chǎn)實(shí)際，從而更有效地指導(dǎo)油氣勘探開(kāi)發(fā)。圖10-2 水槽模擬實(shí)驗(yàn)裝置立體圖（單位：cm）數(shù)值模擬之所以正逐漸發(fā)展成為沉積模擬技術(shù)的一個(gè)重要分支，是因?yàn)樗樾忌绑w形成過(guò)程的數(shù)值模擬與物理模擬相比，數(shù)值模擬具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。1）數(shù)值模擬的所有條件都以數(shù)值給出，不受比尺和實(shí)驗(yàn)條件的限制，可以嚴(yán)格控制井隨時(shí)間改變邊界條件及其他條件；2）數(shù)值模擬具有通用性，只要研制出適合的應(yīng)用軟件，就可以應(yīng)用于不同的實(shí)際問(wèn)題，因而數(shù)值模擬具有高效的特點(diǎn)；3）數(shù)值模擬還具有理想的抗干擾性能，重復(fù)模擬可以得到完全相同的結(jié)果，這是物理模擬難以達(dá)到的；4）隨著計(jì)算機(jī)的迅速升級(jí)換代，功能不斷加強(qiáng)，成本不斷降低，相對(duì)來(lái)說(shuō)費(fèi)用比較便宜。2.提供勘探早期儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的新方法在一個(gè)盆地或區(qū)塊勘探早期，一般鉆井較少，僅有幾口評(píng)價(jià)井，但是往往有比較詳細(xì)的地震資料。通過(guò)地震資料的解釋?zhuān)梢悦鞔_盆地或區(qū)塊的邊界類(lèi)型及條件以及沉積體系的類(lèi)型，結(jié)合鉆井資料，可以建立概念化的地質(zhì)模型，并抽取主要控制因素建立物理模型，在物理模型指導(dǎo)下就可開(kāi)展物理模擬實(shí)驗(yàn)。由物理模擬提供的參數(shù)可以開(kāi)展數(shù)值模擬研究，從而可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)盆地沉積體系的展布規(guī)律以及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布，為勘探目標(biāo)的選擇提供依據(jù)，這是沉積模擬研究為油氣勘探開(kāi)發(fā)服務(wù)的一個(gè)重要方面，并成為沉積模擬技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著趨勢(shì)。3.提供開(kāi)發(fā)后期砂體非均質(zhì)性描述的新技術(shù)油田開(kāi)發(fā)后期一般靜動(dòng)態(tài)資料較多，可以利用較豐富的油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)資料，建立精細(xì)的地質(zhì)模型，分砂層組或單砂層開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有的靜動(dòng)態(tài)資料進(jìn)行對(duì)比，如果在井點(diǎn)上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與靜動(dòng)態(tài)資料所反映的砂體特征吻合程度較高，就可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的。對(duì)于井點(diǎn)之間原型砂體的特征可由實(shí)驗(yàn)砂體（模型砂體）對(duì)應(yīng)井點(diǎn)之間的特征來(lái)描述，從而定量預(yù)測(cè)井間儲(chǔ)層分布和非均質(zhì)特征以及剩余油的分布規(guī)律，這是沉積模擬技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要?jiǎng)酉颉?.與儲(chǔ)層建筑結(jié)構(gòu)要素分析方法的結(jié)合儲(chǔ)層構(gòu)型要素分析方法的實(shí)質(zhì)是儲(chǔ)層的層次性，層次性是儲(chǔ)層形成過(guò)程的一個(gè)重要特征，也是地質(zhì)現(xiàn)象的普遍規(guī)律。每個(gè)層次都具有兩個(gè)要素，即層次界面和層次實(shí)體（林克湘等，1995）。沉積模擬實(shí)驗(yàn)的主要優(yōu)勢(shì)就是可以按形成過(guò)程的時(shí)間單元詳細(xì)地描述這些界面的形態(tài)、起伏、連續(xù)性、分布范圍和厚度變化以及它們所代表的級(jí)別，并與現(xiàn)代沉積和露頭調(diào)查成果相互印證，建立儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的地質(zhì)知識(shí)庫(kù)和儲(chǔ)層參數(shù)模型，提出砂體形成和分布的控制因素以及演變的地質(zhì)規(guī)律，這是其他研究方法所不具備的。近些年，國(guó)內(nèi)外的部分文獻(xiàn)都在努力探索二者結(jié)合的可能性（Miall，1985，1988），并取得了一些創(chuàng)新性成果，形成沉積模擬技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新動(dòng)向。5.與流動(dòng)單元?jiǎng)澐旨案叻直媛蕦有虻貙友芯肯嘟Y(jié)合油氣田開(kāi)發(fā)后期，研究剩余油分布規(guī)律的一個(gè)重要手段就是對(duì)流動(dòng)單元進(jìn)行重新劃分和識(shí)別。在該過(guò)程中，高分辨率層序的研究是基礎(chǔ)，近來(lái)沉積模擬技術(shù)也在該項(xiàng)研究中擔(dān)當(dāng)相當(dāng)重要的角色。因?yàn)楦叻直媛蕦有虻貙友芯康年P(guān)鍵就是對(duì)等時(shí)界面進(jìn)行精細(xì)劃分，而沉積模擬技術(shù)正好具備這一優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是砂體形成過(guò)程的物理模擬實(shí)驗(yàn)或是數(shù)值模擬研究都可以提供砂體形成過(guò)程中任一階段的時(shí)間界面以及該時(shí)間段內(nèi)的儲(chǔ)層分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)可以指出下一時(shí)間段內(nèi)的儲(chǔ)層演化趨勢(shì)及生長(zhǎng)變化特征。所以說(shuō)，沉積模擬技術(shù)與高分辨率層序地層研究相結(jié)合，必將在細(xì)分流動(dòng)單元和剩余油預(yù)測(cè)方面顯示出強(qiáng)大的生命力。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在以不同方式開(kāi)展此方面的工作，有理由相信，在未來(lái)幾年內(nèi)該方法會(huì)發(fā)展成為剩余油分布預(yù)測(cè)的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。綜上所述，進(jìn)入21世紀(jì)后，沉積模擬研究除了保持其原有的沉積學(xué)理論研究的優(yōu)勢(shì)之外，主要的發(fā)展趨勢(shì)是與計(jì)算機(jī)及其他地質(zhì)研究方法相結(jié)合，在預(yù)測(cè)儲(chǔ)層生長(zhǎng)變化及演化趨勢(shì)方面形成綜合性的實(shí)用技術(shù)。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。