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内陆湖盆沉积过程物理模拟的动力学分析

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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中 国 矿 物 岩 石 地 球 化 学 学 会 第 1 7 届 学 术 年 会 论 文 摘 要 集5 9 8专 题 12: 沉 积 盆 地 、 生 态 环 境 资 源 综 合 勘 查 和 生 态 修 复 技 术内 陆 湖 盆 沉 积 过 程 物 理 模 拟 的 动 力 学 分 析齐 亚 林 , 楚 美 娟 , 程 党 性 , 王 克 中 国 石 油 长 庆 油 田 分 公 司 勘 探 开 发 研 究 院 , 西 安 710018通 过 岩 石 沉 积 构 造 组 合 判 断 其 形 成 环 境 , 属 于 反 演 过 程 , 正 确 与 否 取 决 于 岩 石 沉 积 构 造组 合 —沉 积 环 境 关 系 的 建 立 是 否 合 理 。 由 于 沉 积 环 境 标 志 的 确 立 表 现 出 极 大 的 复 杂 性 和 多 解性 , 导 致 沉 积 环 境 的 解 释 具 有 很 大 的 主 观 随 意 性 和 不 确 定 性 。 为 直 观 理 解 内 陆 湖 盆 砂 体 形 成过 程 、 分 布 规 律 和 几 何 形 态 , 正 演 即 物 理 模 拟 (水 槽 模 拟 )方 法 被 尝 试 使 用 , 以 再 现 天 然 河 道挟 沙 水 流 入 湖 及 泥 沙 (或 泥 沙 絮 团 )起 动 、 搬 运 、 沉 降 和 卸 载 过 程 , 并 基 于 “河 工 模 型 ”比 尺 效应 , 对 砂 体 延 伸 、 规 模 和 几 何 形 态 进 行 定 量 预 测 。 水 槽 模 拟 涉 及 水 沙 动 力 过 程 , 从 水 动 力 角度 对 其 进 行 分 析 , 可 为 合 理 应 用 模 拟 结 果 提 供 依 据 。水 流 是 陆 相 湖 盆 泥 沙 搬 运 和 沉 积 的 主 要 介 质 , 存 在 牵 引 流 和 重 力 流 2 种 基 本 类 型 , 两 者的 水 沙 动 力 学 关 系 存 在 差 异 , 形 成 不 同 流 动 和 驱 动 机 制 。 牵 引 流 的 驱 动 机 制 是 水 体 的 势 能 向动 能 转 化 , 流 动 的 水 体 牵 引 泥 沙 运 动 , 水 沙 存 在 相 对 运 动 且 方 向 大 致 相 同 。 重 力 流 的 驱 动 机 制 是 密 度 差 , 密 度 差 驱 动 泥 沙 以 不 规 则 螺 旋 轨 迹 运 动 并 将 水 体 向 上 置 换 , 伴 随 泥 沙 运 动 , 其邻 近 的 水 体 以 不 连 续 小 尺 度 涡 向 上 流 动 并 占 据 泥 沙 置 换 出 的 空 间 , 水 体 与 泥 沙 运 动 的 方 向 不同 。 天 然 河 道 挟 沙 水 流 的 动 能 来 源 于 纵 向 比 降 (J)产 生 的 势 能 ; 时 均 流 速 分 布 取 决 于 过 水 断面 的 形 式 ; 复 杂 的 河 势 、 河 相 、 过 水 断 面 形 势 、 河 道 成 型 淤 积 体 、 沙 垄 及 沙 波 、 边 壁 等 边 界条 件 使 水 体 产 生 由 大 、 中 、 小 尺 度 涡 组 合 而 成 且 大 尺 度 涡 占 有 突 出 地 位 的 湍 流 流 动 ; 湍 动 掺混 过 程 中 , 发 生 质 量 、 动 量 和 动 能 扩 散 , 产 生 剪 切 应 力 , 大 尺 度 涡 向 中 、 小 尺 度 涡 转 化 , 小尺 度 涡 通 过 黏 性 作 用 将 湍 动 能 向 热 能 转 化 , 形 成 水 流 的 阻 力 损 失 ; 雷 诺 数 处 于 阻 力 平 方 区 。从 泥 沙 运 动 力 学 角 度 , 天 然 河 道 挟 沙 水 流 属 于 牵 引 流 , 具 有 二 相 、 三 维 、 不 恒 定 、 非 均 匀 、水 沙 不 平 衡 等 特 性 (钱 宁 , 2003); 流 态 主 要 由 弗 劳 德 数 (Fr)判 别 , 反 映 了 过 水 断 面 上 惯 性 作用 与 重 力 作 用 的 对 比 , 分 为 缓 流 (Fr1)等 3 种 , 与 其 对 应 的 河流 底 床 形 态 分 别 是 : ① 静 平 整 、 沙 纹 、 沙 垄 , ② 过 渡 , ③ 动 平 整 、 逆 行 沙 垄 。水 槽 模 拟 主 要 研 究 具 有 二 相 、 三 维 、 不 恒 定 、 非 均 匀 、 水 沙 不 平 衡 等 特 性 的 天 然 河 道 挟沙 水 流 进 入 蓄 水 体 前 泥 沙 的 起 动 、 搬 运 、 沉 降 和 卸 载 规 律 以 及 天 然 河 道 挟 沙 水 流 在 惯 性 作 用 下 进 入 蓄 水 体 后 三 维 流 场 环 境 下 泥 沙 搬 运 、 沉 降 和 卸 载 规 律 。 水 槽 床 面 泥 沙 的 主 要 受 力 有 水流 的 推 力 (FD)、 水 流 的 举 力 (FL)及 泥 沙 重 力 (W)和 泥 沙 间 的 黏 结 力 (N)等 , 推 力 (FD)、 举 力 (FL)主 要 取 决 于 水 体 流 速 。 当 泥 沙 在 水 体 中 运 动 , 水 体 对 泥 沙 的 阻 力 包 括 黏 滞 阻 力 (FV)和 压 差 阻力 (FP), 黏 滞 阻 力 正 比 于 水 体 流 速 (u)的 1 次 方 , 压 差 阻 力 正 比 于 水 体 流 速 (u)的 2 次 方 。 流 动的 水 体 对 泥 沙 产 生 的 推 力 (FD)为 前 述 阻 力 的 反 作 用 力 。 泥 沙 的 运 动 状 态 取 决 于 其 受 力 状 态 及力 的 平 衡 关 系 , 水 体 流 速 决 定 了 泥 沙 的 受 力 状 态 及 运 动 状 态 。 泥 沙 由 静 止 状 态 转 为 运 动 状 态时 的 临 界 流 速 为 起 动 流 速 (Uc), 泥 沙 由 运 动 状 态 转 为 静 止 状 态 时 的 临 界 流 速 为 止 动 流 速(U’c)。 起 动 流 速 和 止 动 流 速 主 要 由 泥 沙 粒 径 、 容 重 及 水 深 所 决 定 且 正 相 关 , 相 同 粒 径 、 容 第 一 作 者 简 介 : 齐 亚 林 (1974-), 男 , 高 级 工 程 师 , 从 事 研 究 方 向 : 石 油 预 探 综 合 地 质 .E-mail:qiyl_cq@petrochina.com.cn 中 国 矿 物 岩 石 地 球 化 学 学 会 第 1 7 届 学 术 年 会 论 文 摘 要 集 5 9 9重 和 水 深 , 起 动 流 速 一 般 为 止 动 流 速 的 1.2~1.4 倍 。 泥 沙 起 动 判 别 标 准 是 推 移 质 单 宽 输 沙 率(gb), 其 正 相 关 于 流 速 (u)的 4 次 方 , 流 速 细 微 变 化 , 将 极 大 影 响 泥 沙 的 起 动 、 搬 运 、 沉 降 和卸 载 规 律 及 输 沙 率 。水 槽 模 拟 所 采 用 泥 沙 的 容 重 和 粒 级 构 成 , 近 似 于 天 然 河 道 泥 沙 的 容 重 和 粒 级 构 成 。 假 设泥 沙 的 容 重 相 同 , 最 大 粒 径 为 d1, 最 小 粒 径 为 d2。 模 拟 开 始 时 , 具 有 特 定 初 始 流 速 (u0)、 水深 (h0)的 河 流 进 入 具 有 特 定 长 (L)、 宽 (B)、 深 (H)的 蓄 水 体 。 初 始 流 速 (u0)必 须 大 于 最 大 粒 径 泥沙 的 起 动 流 速 (Uc1), 以 至 于 床 面 所 有 粒 径 泥 沙 在 推 举 力 作 用 下 克 服 床 面 阻 力 而 起 动 、 搬 运 。河 流 在 蓄 水 体 中 推 进 时 , 水 深 沿 程 增 大 , 流 速 沿 程 快 速 衰 减 , 泥 沙 因 所 受 上 举 力 不 足 以 克 服重 力 而 沉 降 , 并 因 与 水 体 流 动 方 向 不 同 而 逐 渐 分 离 。 当 推 进 长 度 为 l(0~10.0m)时 , 所 有 粒 径泥 沙 全 部 发 生 沉 降 和 卸 载 , 推 移 质 单 宽 输 沙 率 (g b)降 为 0。 此 时 作 用 在 泥 沙 上 的 流 速 (ul)必 须足 够 小 , 以 至 于 小 于 最 小 粒 径 泥 沙 的 止 动 流 速 (U’c2)。 模 拟 反 映 了 惯 性 作 用 下 水 体 在 蓄 水 体中 的 流 速 相 对 变 化 (ul/u0)与 其 推 进 长 度 (l)存 在 确 定 的 关 系 。 在 河 流 初 始 流 速 (u0)、 水 深 (h0)不变 的 情 况 下 , 改 变 蓄 水 体 长 (L)、 宽 (B)或 深 (H), 流 速 比 值 (ul/u0)不 发 生 变 化 。 在 河 流 初 始 流速 (u0)、 水 深 (h0)同 时 增 大 , 蓄 水 体 长 (L)、 宽 (B)、 深 (H)不 变 的 情 况 下 , 流 速 比 值 (ul/u0)会 增大 , 但 增 大 范 围 有 限 。 上 述 两 种 假 设 , (ul/u0)-l的 关 系 与 模 拟 时 长 (t)无 关 , 反 映 了 自 然 状 态下 , 惯 性 作 用 下 挟 沙 水 体 进 入 蓄 水 体 时 的 流 速 变 化 情 况 。河 流 在 蓄 水 体 中 推 进 时 的 (ul/u0)-l关 系 由 湍 流 特 性 所 决 定 。 湍 流 的 成 因 和 特 性 研 究 是 认识 湍 流 进 而 解 决 工 程 实 际 问 题 的 必 要 途 径 。 当 惯 性 作 用 对 流 场 的 影 响 大 于 黏 滞 作 用 时 , 在 边界 的 作 用 、 扰 动 及 速 度 梯 度 的 作 用 下 , 流 体 系 统 失 稳 , 产 生 不 同 尺 度 涡 (涡 的 大 小 及 旋 转 轴的 方 向 是 随 机 的 ), 湍 流 开 始 形 成 。 大 尺 度 涡 破 裂 后 形 成 中 、 小 尺 度 涡 , 湍 流 得 以 发 展 和 延续 。 在 此 过 程 中 , 大 尺 度 涡 不 断 地 从 主 流 获 得 能 量 , 动 能 以 湍 流 级 串 的 形 式 向 中 、 小 尺 度 涡传 递 , 小 尺 度 涡 湍 动 能 以 分 子 热 运 动 的 形 式 耗 散 (黏 性 耗 散 )。 湍 流 是 包 括 河 流 在 内 地 表 水 体 流 动 的 主 要 形 式 , 是 由 各 种 不 同 尺 度 的 带 有 旋 转 结 构 涡 叠 合 而 成 的 流 动 , 具 有 三 维 、 非 定 常 、随 机 、 不 规 则 、 有 旋 、 强 扩 散 和 强 耗 散 的 特 性 。 湍 流 的 上 述 特 性 导 致 流 场 中 不 同 尺 度 的 流 体微 团 不 仅 有 横 向 脉 动 , 而 且 有 相 对 于 总 流 动 的 反 向 流 动 。 相 邻 流 体 层 间 不 但 有 滑 动 , 还 有 混合 。 湍 流 的 流 速 描 述 , 不 仅 要 考 虑 时 均 流 速 , 还 要 考 虑 瞬 时 和 脉 动 流 速 。 河 流 在 蓄 水 体 中 的流 动 , 本 质 上 是 一 类 水 体 (极 性 )以 湍 流 射 流 方 式 在 另 一 类 水 体 (极 性 )中 掺 混 流 动 。 不 同 于 “河水 与 蓄 水 体 不 等 密 度 时 , 发 生 平 面 喷 流 , 混 合 作 用 仅 发 生 在 二 维 空 间 ”(Bates, 1953)。 垂 直总 流 动 方 向 , 河 流 水 体 不 同 尺 度 流 体 微 团 会 持 续 随 机 进 入 邻 近 的 蓄 水 体 并 逐 层 传 递 动 量 , 蓄水 体 不 同 尺 度 流 体 微 团 也 会 持 续 随 机 进 入 邻 近 的 河 流 水 体 , 系 统 的 扰 动 被 放 大 , 湍 流 强 度 被进 一 步 加 强 , 两 者 在 三 维 流 场 充 分 掺 混 。 湍 流 的 强 扩 散 性 和 强 耗 散 性 导 致 被 卷 吸 或 掺 混 进 入流 动 系 统 的 水 体 质 量 沿 程 会 持 续 增 多 , 流 动 水 体 动 量 和 动 能 快 速 扩 散 进 而 耗 散 , 流 速 沿 程 会以 负 指 数 快 速 衰 减 。相 对 于 “变 态 模 型 ”, “正 态 模 型 ”要 求 原 型 与 模 型 在 几 何 、 运 动 和 动 力 保 持 完 全 相 似 , 更适 合 研 究 水 体 结 构 、 泥 沙 运 动 和 河 床 变 形 等 水 沙 动 力 过 程 。 内 陆 湖 盆 沉 积 过 程 模 拟 时 , 如 将 模 型 视 为 “正 态 模 型 ”, 当 河 流 模 型 的 初 始 流 速 (u0)、 水 深 (h0)、 流 量 (Q)、 泥 沙 粒 径 (d)等 参 数和 蓄 水 体 模 型 的 长 (L)、 宽 (B)、 深 (H)等 参 数 及 原 型 与 模 型 间 的 几 何 比 尺 (λL)确 定 后 , 河 流 原型 的 初 始 流 速 (u0)、 水 深 (h0)、 流 量 (Q)、 泥 沙 粒 径 (d)等 参 数 和 蓄 水 体 原 型 的 长 (L)、 宽 (B)、 深(H)等 参 数 将 确 定 且 唯 一 (不 同 于 “变 态 模 型 ”)。 河 流 进 入 蓄 水 体 后 , 水 动 力 机 制 发 生 变 化 , 但流 速 变 化 (ul/u0)与 推 进 长 度 (l)间 的 确 定 关 系 , 不 因 “河 工 模 型 ”比 尺 效 应 而 改 变 。 多 数 情 况 下 ,模 拟 只 能 反 映 模 型 自 身 的 泥 沙 起 动 、 搬 运 、 沉 降 和 卸 载 过 程 和 砂 体 分 布 规 律 , 依 据 “河 工 模型 ”的 “变 态 模 型 ”理 论 将 模 拟 结 果 定 量 化 并 扩 大 应 用 , 可 能 导 致 对 砂 体 延 伸 、 规 模 和 几 何 形态 的 误 判 。
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