物理沉积模拟研究历史及现状
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沉积物理模拟研究始于19世纪末期，至今己走过了逾百年坎坷不平的研究历程。可将沉积模拟研究分为三个阶段：即19世纪末至20世纪60年代的初期阶段、20世纪60年代至80年代的迅速发展阶段和90年代以来的半定量研究及湖盆砂体模拟阶段，每个阶段都有其研究重点和热点。可以认为，20世纪60年代以后的沉积模拟研究成果推动了不同学科的交叉与繁荣，促进了实验沉积学的飞速发展，奠定了现代沉积学的基础。
（一）沉积物理模拟技术的研究历史
1.以现象观察描述为主要研究内容的初级阶段
19世纪末，笛康（Deacon，14）首次在一条玻璃水槽中观察到泥砂运动形成的波痕，并对其进行描述。吉尔伯特（Gilbert，1914）第一次用各种粒径的砂在不同的水流强度下进行了水槽实验，较详细地观察和描述了一系列沉积现象和沉积构造，他当时描述的砂丘后来被其他研究者命名为不对称波痕。此后在20世纪四五十年代，爱因斯坦（Einstein，1950）、布鲁克斯（Brooks，1965）、伯格诺尔多（Bagnold，l954，1966）等亦完成了一些开拓性的实验，并建立了实验沉积学的一些基本方法，但这一时期的实验内容总体比较简单，多以实验现象的观察和描述为主，缺乏理论分析和指导。西蒙斯和理查德森（Simons et al.，1961，1965）关于水槽实验的系统研究报告在沉积学界引起震动，应看做是该时期实验研究的代表性成果。
Simons的实验是在一长为150ft、宽8ft、深2ft的倾斜循环水槽上进行的，水槽的坡度可在0～0.013°之间变化，流量变化范围为2～22ft3/s。此外，Simons等人的特殊研究还用到一个长60ft、宽2ft、深2.5ft的较小的倾斜循环水槽，小水槽的底坡可在0～0.025°之间变化。2ft宽的小水槽中进行特殊研究是为了确定黏度、河床质密度和河床质的分选情况在冲积河道流动中的重要作用而进行的。
Simons给出了8ft宽的大水槽中用到的河床质的粒径分布和2ft宽的小水槽中用到的河床质的粒径分布。除特别规定外，粒径分布均以沉降粒径表示（Colby，19），这一分布曲线是建立在试验研究期间和试验研究之后对随机抽取的大量砂样进行粒度分析的基础之上。
Simons和Richardson自1956、1965年完成了一系列的实验，每次试验的一般步骤是：就一给定的水-泥砂混合物流量进行循环，直到建立起平衡流动条件为止。Simons把平衡流动定义成这样的一种流动，即除进出口效应波及的范围不计外，在整个水槽上流动所确立的床面形态和底坡与流体流动和河床质特征相一致，也就是说，水流的时均水面坡度为一常数，并与时均河床底坡平行，而且河床质流量的浓度为一常数。注意，Simons等在此特别强调，这里不应把平衡流动与恒定均匀流动的概念混淆起来，因为对于水砂平衡流动，流速在同一空间点以及从这一空间点到另一空间点都可以变化。即除平坦底形外，在冲积河道中并不存在经典定义的恒定均匀流的情况。
2.以沉积机理研究为主要内容的迅速发展时期
20世纪60～80年代，随着科学技术的发展，模拟实验的装备及技术日趋完善，实验内容己不仅仅局限在沉积现象的观察与描述方面，而深入到沉积机理的研究。
Schumm（1968，1971，1977）和Williams用水槽实验研究了凹凸不平的底床对流量变化的反应；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）和赵霞飞（1982）从室内到野外研究了各类底形的生长情况；麻省理工学院地球和行星科学系的苏萨德与他的同事博格瓦尔（Southard et al.，1973）用一条长6m、宽17cm、深30cm的倾斜水槽进行了从波纹到下部平坦床砂的实验研究，继而在1981年，又与加拿大学者科斯特罗（Costello et al.，1981）合作，在一条长11.5m、宽0.92m的水槽中用分选很好的粗砂研究下部流态底形的几何、迁移和水力学特征。Southard（1971）还与新泽西州立大学地质科学系的埃施里（Ashley，1982）分别用水槽模拟爬升波纹层理的沉积特征，应用水深和平均速度来表征在松散泥砂河床的明渠均匀流中的床面形态，如果以无因次水深、速度和粒径（或者以这三个变量本身）为坐标，便可得到一种三维空间曲面图形，图中各点可能的床面形态具有一一对应的特点。
这一时期有三个学者值得提及，他们是J.B.Southand、J.R.L.Allen和J.L.Best，由于他们的出色工作，使沉积学科有了稳固的基础，也使沉积模拟研究焕发了新的生命力。
本阶段后期，模拟实验的内容已十分广泛，如浊流模拟实验、风洞模拟实验、风暴模拟实验等。这些模拟实验不仅促进了沉积学理论的发展，而且对油气勘探开发具有重要的实际意义。例如美国地质调查局自20世纪70年代开始用风洞实验研究风成砂丘的特征，并深入研究砂层的渗滤特征，从而为研究采收率服务。风洞实验也经历了漫长的历程，40～60年代，风洞实验主要用于研究砂和土壤的搬运机理，学者有伯格诺尔多（Bagnold，1914）、切皮尔和乌德拉夫（Chepil et al.，1963）等，70～80年代，风洞实验已用于风成沉积构造和形成机理的研究。迈克等（Mckee et al，1971）用风洞实验研究了风成砂丘背风面由滑塌作用形成的各种变形构造，弗里傅格和施恩克（Fryberger et al.，1981）的风洞实验有了进一步发展，这个风洞由一个槽和盆组成，槽长4.27m，宽61cm，高45.7cm，盆长4.27m，宽61cm，高1.83m。这项实验着重研究波痕、滑塌和颗粒降落形成的沉积特征，并描述它们的形成条件。60年代以后，浊流模拟实验也越来越受到重视，从事这方面工作的有米德尔顿（Middleton，1976b，1976，1977）、里德尔（Riddell，1969）和拉瓦尔等（Laval et al，1988）。70年代的模拟实验虽有所深入，但还未能利用数学模型来预测砂丘规模（包括长度和厚度）的变化。虽然塞利（Selley，1979）和艾伦（Allen，1976）曾提出过充满希望的方法，但未能在控制条件下，用这些方法详细而准确地预测底形变化。
这一时期，从事实验研究的学者还有拉斯本等（Rathbun et al，1969）、威廉姆斯（Williams，1967）、李斯（Rees，1966）等。
3.以砂体形成过程和演化规律为主要研究内容的湖盆砂体模拟阶段
20世纪80～90年代，沉积模拟研究进入了以砂体形成过程和演化规律为主要研究内容的湖盆砂体模拟阶段。该阶段不仅注重解决理论问题，更注重解决实际问题，与油气勘探开发结合起来。
如果仔细研究20世纪80年代以前的实验内容及国外文献，不难发现，在此之前沉积模拟实验存在的问题主要有三个方面：一是实验条件，以前的水槽实验多采用分选好的砂，忽视粉砂和砾的沉积作用；另外，实验过程多采用均匀流，忽视非均匀流；多在稳定状态平衡条件下进行，忽视非稳定状态的影响，而这些被忽视的因素正是自然环境下普遍存在的底床形成条件。二是实验内容，以前的水槽实验主要模拟河流及浊流的搬运与沉积作用，对盆地沉积体系和砂体展布的模拟实验以及对砂体规模和延伸的定量预测则不够或者说基本没开展此方面的研究。三是实验目的，以前的水槽实验主要着眼于沉积学基础理论的研究，对实际应用考虑不多，其原因就在于从事这方面的实验有许多实际困难，例如，做砾级沉积物的实验需要更宽、更深、流量更大的水槽，做粉砂级实验需要更严格的化学和物理条件，做大型盆地沉积体系的模拟实验耗资大，需要更高级的技术装备和控制系统等。
20世纪80年代之后，针对上述方面存在的严重不足，各国实验沉积学家调整研究思路，克服重重困难，在尽量保持原有特色的基础上，或对原有的实验室结构进行较大规模的改造或重新建立适合于砂体模拟的大型实验室。值得提及的有下面三个。
1）科罗拉多州立大学工程研究中心的大型流水地貌实验装置。该实验装置主要模拟河流沉积作用，同时可模拟天然降雨对河流地貌的影响，以及在不同边界条件下河床变形规律、单砂体的形成机制等。美国许多实验沉积学家在该实验室完成了一系列实验（Baridge，1993；Bryant，1993），我国访问学者赖志云教授也在此完成了鸟足状三角洲形成及演变的模拟实验。
2）瑞士联邦工业学院Delft模拟实验室。该实验室隶属于荷兰河流和导航分局，是一个较现代化的实验室。为了从事应用基础研究，该室专门建成了一个大型水槽，水槽用加固混凝土建造，观察段由带玻璃窗的钢架构成。水槽总长98m，宽2.5m，带玻璃窗段长50m，测量段长30m，测量段宽为0.3m和1.5m。没有沉积物时的最大水深为1m。水槽周围安装了各种控制和测量装置，微机和微信息处理机能自动取得数据和自动改变各种边界条件（如流量）等。在玻璃窗段的上方架设轨道，供仪器车运行。
仪器车上安装了三个剖面显示器和一个水位仪，这样可以测量三条纵向底床水平剖面，通常一条位于水槽中间，另两条位于距槽壁1/6槽宽处。记录的资料由微机收集、储存和计算，最后输出成果。1983年，该室的项目工程师Wijbenga和项目顾问Klaasen用这个装置研究了在不稳定流条件下底形规模的变化，资料处理以后，针对每个过渡带，自动绘出水深与时间、砂丘高度与时间、砂丘长度与时间的关系曲线，从而确定底形规模的变化规律。欧洲学者在此完成了小型冲积扇和扇三角洲形成过程的模拟实验，取得了一些定性和半定量的成果。
3）日本筑波大学模拟实验室。该实验室长343m，宽数米（具体数字不详），自动化程度较高，监测设备相对齐全，分析手段比较先进，相继完成了海浪对沉积物的搬运和改造、饱和输砂及非饱和输砂的河流沉积体系、湖泊沉积与水动力学等一系列实验，有一批世界各地的客座研究人员，定期发布研究成果。
由此看来，20世纪80～90年代沉积模拟有两个特点，一个是逐渐由定性型描述向半定量或定量型研究转变，另一个是由小型水槽实验转向大型盆地沉积体系模拟。
（二）国内沉积物理模拟技术的发展现状
1.国内沉积物理模拟研究的基本概况
1985年以前，我国的水槽实验室主要集中于水利、水电和地理部门的有关院校和研究单位，从事泥砂运动规律、河道演变和大型水利水电枢纽工程等的实验研究。70年代末，长春地质学院建成了第一个用于沉积学研究的小型玻璃水槽，这个水槽长6m，高80cm，宽25cm，主要研究底形的形成与发展。80年代，中国科学院地质研究所也用自己的小型水槽做了一部分研究工作。这是我国曾经仅有的两条以沉积学研究为主而建立的水槽，虽然在研究内容、深度和广度上与国际水平相比还有一定差距，但为我国沉积模拟实验的发展迈开了第一步。
随着沉积学理论的发展和科学技术必须转化为生产力的需要，我国的油气勘探开发形势对定量沉积学、储层沉积学和沉积模拟实验提出了一些急待解决的实际问题。多年来，在我国东部陆相断陷湖盆的研究中，一直存在一些争论不休的问题，如湖盆陡坡沉积体系、扇三角洲、水下扇的形成条件和分布规律以及裂谷湖盆与坳陷湖盆沉积体系的区别等，都期待着沉积模拟实验予以验证；不同类型的单砂层的形态、规模和延伸方向等也需要沉积模拟实验予以合理预测。因此，1985年以后，许多沉积学家积极呼吁：根据当前世界沉积学发展的动向以及我国油气勘探开发的生产实际和今后发展的需要，应建立我国的沉积模拟实验室。专家认为，该实验室应以模拟陆相盆地沉积砂体为主要对象，以储层研究为重点，解决生产实际中的问题，以陆相湖盆中砂体的分布、各类砂体规模和性能的定量预测、提高勘探成功率和开发效益为主要目标；此外，实验室的建立还应兼顾沉积学的各项基础研究，为人才培养、对外交流等提供条件，推动我国沉积学理论的发展，并逐步发展成为面向全国的沉积模拟实验室。这一实验室的建立也是理论研究转化为生产力的重要手段，是与世界范围内油气勘探开发中以储层为主攻目标的动向相一致，于是CNPC沉积模拟重点实验室便应运而生。
2.CNPC沉积模拟重点实验室实验装置简介
（1）装置规模
CNPC沉积模拟重点实验室实验装置长16m，宽6m，深0.8m，距地平面高2.2m，湖盆前部设进（出）水口1个，两侧各设进（出）水口2个，用于模拟复合沉积体系，尾部设出（进）水口一个。整个湖盆采用混凝土浇铸，以保证不渗不漏。湖盆四周设环形水道。湖盆屋顶采用槽钢石棉瓦结构，能够保证实验过程不受天气变化的影响并有利于采光。
（2）活动底板及控制系统
活动底板系统是实验室的重要组成部分。针对我国东部断陷盆地的实际情况，没有基底的升降，便不能产生断裂体系，构造运动便不能模拟，构造对沉积控制作用的模拟便不能实现，实验室的功能和作用将大大降低，因此，在湖盆区设置活动底板是必要的。
实验室活动底板区由四块活动底板组成，每块活动底板面积2.5m×2.5m=6.25m2，活动底板能向四周同步倾斜、异步倾斜、同步升降、异步升降。活动区倾斜坡度arctan 0.35、上升幅度10cm、下降幅度35cm、同步误差小于2mm。每块底板由四根支柱支撑，不漏水不漏砂，而且运动灵活可靠，基本满足实验要求。
活动底板的控制由16台步进电机、16台减速机、四台驱动电源、计算机及电子元器件实现，由计算机输出脉冲数控制步进电机转动，并转化为活动底板的升降。步进电机的最大优点是可以精确控制运动状态，升降速度可根据需要调整，从而满足自然界地壳运动特点的要求。
（3）检测桥驱动定位系统
为了对砂体沉积过程实施有效监控，并便于砂体检测，目前在湖盆上设置一座6m跨度、1m宽度的检测桥。测桥具有以下几个功能：①测桥可在纵向16m范围内自由移动并自动定位，导轨和测桥的机械误差小于2mm，以保证达到高精度砂体形态检测的要求；②测桥一端设置控制平台，以便控制测桥的自动定位和自动检测；③测桥上设置一套CCD激光光栅检测系统，整个系统可横向移动6m，用于叠加检测，以提高测量精度；④测桥中部设置一个检测小车，可在6m跨度内移动，对砂体沉积过程进行扫描。
3.中国石油大学（华东）沉积学水槽实验室简介
断陷盆地是我国东部地区中新生代以来形成的一类典型的陆内裂谷盆地，蕴含丰富的油气资源。随着油气勘探重点向地层、岩性油藏的转移，断陷盆地内部的浊积岩砂体也成为隐蔽油气藏勘探的重要领域。然而，由于断陷盆地浊积岩砂体的形成和分布受到多种因素的影响，形成过程又具有一定的突发性，致使目前对其的认识仍停留在通过地震、钻井资料的定性分析阶段，对其成因和动力学机制认识不深刻，也没有形成能够有效预测的方法。而物理沉积模拟可以再现浊积砂体的形成过程、发展演化规律，从而建立流体流动模型，预测砂体形态和分布规律，探讨浊积砂体发育的控制因素。中国石油大学（华东）沉积学水槽实验室正是在此前提下建立起来的。
中国石油大学（华东）沉积学水槽实验室始建于2002年，由实验水槽、加砂槽和内置底形模板三部分组成，经过多次改造，成功进行了断陷盆地陡岸砂砾岩体、扇三角洲、三角洲前缘滑塌浊积体、震浊积岩等实验模拟。实验水槽内壁长5m、宽2m、高1m，长轴侧壁为玻璃，便于观察和照相，短轴侧壁及底面均为厚25cm的水泥壁，整个水槽置于高40cm的底座之上。短轴侧壁一端装有进水口，另一端装有出水口，进水口处外接一加砂槽，沉积物与水同时由加砂槽注入水槽。水槽内放一活动金属支架，支架表面铺设铁板，用来模拟原始底形，通过升降控制杆可调节底形坡度。支架上固定一金属管，作为震源触发点，通过施加外力敲击金属管模拟震动的发生（图10-1，图10-2）。
图10-1 水槽模拟实验装置剖面图（单位：cm）
（三）沉积模拟研究的发展趋势
20世纪90年代以后，沉积物理模拟技术出现了一些新的发展动态和趋势，这些发展趋势可概括为以下五个方面。
1.物理模拟与数值模拟的日益结合
沉积模拟研究经过了一个世纪的发展历程，取得了一批优秀的学术成果。然而这些成果主要集中在物理模拟研究方面，随着计算机在地学领域内的普遍应用，碎屑砂体沉积过程的数值模拟研究正逐渐发展成为沉积模拟技术的一个重要分支，并且日益与物理模拟相互渗透，二者相辅相成，相互依赖，相互促进。碎屑沉积过程的物理模拟与数值模拟的多层面结合是沉积模拟技术的一个重要发展方向。通过物理模拟与数值模拟的结合，数值模拟研究可以摆脱人为因素的干扰，物理模拟过程可为计算机数值模拟提供定量的参数，使数值模拟有可靠的物理基础，更接近于油田生产实际，从而更有效地指导油气勘探开发。
图10-2 水槽模拟实验装置立体图（单位：cm）
数值模拟之所以正逐渐发展成为沉积模拟技术的一个重要分支，是因为碎屑砂体形成过程的数值模拟与物理模拟相比，数值模拟具有一些突出的优点，具体表现在以下四个方面。
1）数值模拟的所有条件都以数值给出，不受比尺和实验条件的*，可以严格控制井随时间改变边界条件及其他条件；
2）数值模拟具有通用性，只要研制出适合的应用软件，就可以应用于不同的实际问题，因而数值模拟具有高效的特点；
3）数值模拟还具有理想的抗干扰性能，重复模拟可以得到完全相同的结果，这是物理模拟难以达到的；
4）随着计算机的迅速升级换代，功能不断加强，成本不断降低，相对来说费用比较便宜。
2.提供勘探早期储层预测的新方法
在一个盆地或区块勘探早期，一般钻井较少，仅有几口评价井，但是往往有比较详细的地震资料。通过地震资料的解释，可以明确盆地或区块的边界类型及条件以及沉积体系的类型，结合钻井资料，可以建立概念化的地质模型，并抽取主要控制因素建立物理模型，在物理模型指导下就可开展物理模拟实验。由物理模拟提供的参数可以开展数值模拟研究，从而可以较准确地预测盆地沉积体系的展布规律以及优质储层的分布，为勘探目标的选择提供依据，这是沉积模拟研究为油气勘探开发服务的一个重要方面，并成为沉积模拟技术发展的一个显著趋势。
3.提供开发后期砂体非均质性描述的新技术
油田开发后期一般静动态资料较多，可以利用较丰富的油田开发生产资料，建立精细的地质模型，分砂层组或单砂层开展模拟实验，并把实验结果与已有的静动态资料进行对比，如果在井点上实验结果与静动态资料所反映的砂体特征吻合程度较高，就可以认为实验结果是可靠的。对于井点之间原型砂体的特征可由实验砂体（模型砂体）对应井点之间的特征来描述，从而定量预测井间储层分布和非均质特征以及剩余油的分布规律，这是沉积模拟技术发展的另一个重要动向。
4.与储层建筑结构要素分析方法的结合
储层构型要素分析方法的实质是储层的层次性，层次性是储层形成过程的一个重要特征，也是地质现象的普遍规律。每个层次都具有两个要素，即层次界面和层次实体（林克湘等，1995）。沉积模拟实验的主要优势就是可以按形成过程的时间单元详细地描述这些界面的形态、起伏、连续性、分布范围和厚度变化以及它们所代表的级别，并与现代沉积和露头调查成果相互印证，建立储层预测的地质知识库和储层参数模型，提出砂体形成和分布的控制因素以及演变的地质规律，这是其他研究方法所不具备的。近些年，国内外的部分文献都在努力探索二者结合的可能性（Miall，1985，1988），并取得了一些创新性成果，形成沉积模拟技术发展的一个新动向。
5.与流动单元划分及高分辨率层序地层研究相结合
油气田开发后期，研究剩余油分布规律的一个重要手段就是对流动单元进行重新划分和识别。在该过程中，高分辨率层序的研究是基础，近来沉积模拟技术也在该项研究中担当相当重要的角色。因为高分辨率层序地层研究的关键就是对等时界面进行精细划分，而沉积模拟技术正好具备这一优势，无论是砂体形成过程的物理模拟实验或是数值模拟研究都可以提供砂体形成过程中任一阶段的时间界面以及该时间段内的储层分布和内部结构特征，同时可以指出下一时间段内的储层演化趋势及生长变化特征。所以说，沉积模拟技术与高分辨率层序地层研究相结合，必将在细分流动单元和剩余油预测方面显示出强大的生命力。国内外不少学者在以不同方式开展此方面的工作，有理由相信，在未来几年内该方法会发展成为剩余油分布预测的一项实用技术。
综上所述，进入21世纪后，沉积模拟研究除了保持其原有的沉积学理论研究的优势之外，主要的发展趋势是与计算机及其他地质研究方法相结合，在预测储层生长变化及演化趋势方面形成综合性的实用技术。
