CN105803994A - 一种水下浊流形成河道的预测方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下浊流形成河道的预测方法及应用，属于石油沉积、水利工程技术领域，包括以下步骤：首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；再计算无量纲浊流流量Q^*和泥沙颗粒沉降速度Vc；通过泥沙颗粒沉降速度Vc计算浊流运动底坡纵比降S；最后确定河道形成条件，当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，即确定水下浊流形成河道。本发明能够对不同体积浓度下浊流形成河道进行预测，从而能够对水库库区航道的安全性做出准确判断。

Description

一种水下浊流形成河道的预测方法及应用

技术领域

本发明涉及到石油沉积、水利工程技术领域，尤其涉及一种水下浊流形成河道的预测方法及应用。

背景技术

水电站运行一定时期后水库内将有大量的泥沙沉积，泥砂头部逐渐向取水口附近推移，给水电站的首部枢纽的正常运行造成极大的威胁。而这些威胁正是水下浊流产生的。三峡库区内的长江及支流河流泥沙在库区内形成的浊流也可能形成水下河道，河道的出现将使泥沙在库区内沉积不均匀，在河道区域内的沉积明显多于其他区域，库区内会有局部浅水区出现，严重时会影响库区内的航运。浊流是世界上最重要的泥沙搬运方式，是陆原碎屑沉积物和其他颗粒物质由陆地向深海运输的重要通道,通过世界上的主要河流及其入海口，浊流将大量的泥沙由大陆架输送到海洋中。在我国云南的洱海、抚仙湖，四川西昌的邛海的水下堆积扇上都发现有水底沉积河道。虽然在湖中更容易形成浊流，因为海水容重约1.03g/cm³,而湖水容重约1.0g/cm³，泥沙浆液跟湖水的容重差值更大，就更容易在水下与周围水溶液区分开，体现出浊流的存在,但湖中的浊流沉积的发现要远少于海中的浊流沉积。大量的研究表明在深海海底有普遍存在的浊流沉积。许多海底扇河道都位于河流的深海扇上，如世界著名河流亚马逊河海底扇和密西西比河海底扇，孟加拉海底扇，刚果河海底扇等都有深海海底河道坐落在海底扇上。

水中的细颗粒泥沙在经河流汇入湖、海后，会在湖、海中逐渐沉积下来，泥沙的沉积除了一般的吉尔伯特三角洲模式外，还会有浊流运动和沉积。高含沙水流进入湖泊、海中后以高浓度浊流在水底运动，形成水下冲积扇和水下河道。浊流是重力流的一种形式，是沿水下斜坡峡谷流动的，发育于深海和深湖环境中的携带大量泥沙的高密度底流；是由流体中悬浮的沉积物造成的密度差引起流动的水流，其中沉积物颗粒的支撑方式为流体搅动支撑。所以浊流的运动条件十分容易达到，浊流主要是以细颗粒泥沙的搬运来产生一系列影响的。

碎屑流与浊流的深水沉积物重力流沉积是近年来沉积学研究的主要进展之一。在水下沉积河道中，云南省洱海的阳溪扇和茫涌溪扇的河道宽87.5-115m，深0.4-0.9m；河堤高2.5-3.9m，底部坡度约2％。深海河道宽50-125m，深1-5m；河堤宽150-300m，高10-50m，底部坡度0.07-6.5％；深海河道蜿蜒延伸可达数千公里。由于河道的迁移性和蜿蜒性，整个扇面布满了这种河道。河道断面的泥沙颗粒直径也具有分选性：河道内沉积的主要是沙，而河堤沉积的主要是泥，说明水下河道中主要沉积粗颗粒，而两侧河堤则沉积较细的细颗粒，并有可能成为烃类储层，在深水中形成的浊流沉积层有可能发展成为石油的储层。因此预测这些沉积的几何特征对于理解深水沉积系统来说具有重要意义。同时对于水库库区的航道安全也有很重要的意义。

由浊流形成的水下河道，在形式上有侵蚀型河道，侵蚀/沉积型河道和沉积型河道等三种河道形式。这类水下扇河道的最明显的特点是：沉积型河道的底床比水下扇体侧缘高，湖底扇上高2-3m，海底扇上高5-10m，颇似黄河下游“地上悬河”，但与黄河人为加高河堤不同，水下扇河道的河堤是浊流自身沉积而形成的。从前人大量的研究资料分析，可以看出在深海扇上主要的河道是沉积型河道。浊流形成水下沉积型河道的条件是：正确的浊流流量、浊流运动的底坡坡度、周围流中泥沙沉降速度和浊流中的泥沙颗粒粒径范围，满足这些条件才能形成河道。但浊流进入水下的初始浊流流量的体积浓度只有一个固定的0.1，其他浓度的水下沉积型河道的形成条件还不清楚，不能对实际存在的较大浓度范围的浊流产生河道的条件作出判断。

公开号为CN104846772A，公开日为2015年08月19日的中国专利文献公开了一种高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的测算方法，其特征在于：在建立数学模型时，引入了代表沉积块本身物理特性的参数，并结合待测算河段的试验及实测数据计算河道沉积块起动临界系数。该专利文献公开的高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的测算方法，虽然能够反映沉积块起动时的受力情况，测算不同大小的沉积块的起动流速，但是，对不同浓度的水下浊流泥沙是否形成河道却无法预测，不能对水库库区航道的安全性做出准确判断。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种水下浊流形成河道的预测方法及应用，本发明能够对不同体积浓度下浊流形成河道进行预测，从而能够对水库库区航道的安全性做出准确判断。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水下浊流形成河道的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；

b、根据步骤a测得的浊流流量Q、浊流宽度W和浊流高度H依式1计算确定无量纲浊流流量Q^*；

式中：

Q^*——无量纲浊流流量

Q——浊流流量,m³/s

W——浊流宽度,m

H——浊流高度,m

g——重力加速度,m/s²；

c、根据步骤a测得的泥沙中值粒径Dc计算确定泥沙颗粒沉降速度Vc；

d、根据步骤c得到的泥沙颗粒沉降速度Vc依式2计算确定浊流运动底坡纵比降S；

式中：

S——浊流运动底坡纵比降

Dc——泥沙中值粒径,mm

Vc——泥沙颗粒沉降速度，m/s

a——系数，范围为37.3-197.3，其中a＝86.5为中间值；

e、通过步骤d得到的浊流运动底坡纵比降S和式3确定河道形成条件；

0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，且C₀＞0.025(式3)

当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足式3的关系，即确定水下浊流形成河道。

当泥沙中值粒径Dc≤0.076mm时，步骤c中泥沙颗粒沉降速度Vc依式4斯托克斯公式计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

当泥沙中值粒径Dc＞0.076mm时，通过式5计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

本发明，适用于确定水下浊流沉积层成为石油储层。

本发明，适用于勘测湖底或海底的地貌变化。

本发明，适用于判断水库库区航道的安全性。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；再计算无量纲浊流流量Q^*和泥沙颗粒沉降速度Vc；通过泥沙颗粒沉降速度Vc计算浊流运动底坡纵比降S；最后确定河道形成条件，当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，即确定水下浊流形成河道，与现有技术对于引入浊流体积浓度只能为0.1才能确定浊流形成河道相比，本发明浊流浓度C₀的值不限于0.1，通过无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀的关系能够对不同体积浓度下浊流形成河道进行预测，浊流浓度预测范围更广，能够对水库库区航道的安全性做出准确判断，通过准确的预测浊流形成河道，能够积极的采取相应措施，杜绝泥沙在库区内不均匀的沉积，防止库区内出现局部浅水区，保障库区内航运安全性。

二、本发明，在湖泊和海洋内的浊流形成河道中得到了准确验证，水中的细颗粒泥沙在经河流汇入湖泊和海洋后，会在湖泊和海洋中逐渐沉积下来，泥沙的沉积除了一般的吉尔伯特三角洲模式外，还会有浊流运动，而浊流是重力流的一种形式，是沿水下斜坡峡谷流动的，浊流的运动条件十分容易达到，浊流主要是以细颗粒泥沙的搬运来产生一系列影响，通过准确预测湖泊和海洋内的浊流是否能够形成河道，能够有效减小浊流形成河道带来的危害。

三、本发明，通过预测浊流是否能够形成河道，进而能够确定水下浊流沉积层是否能够成为石油储层，尤其是水下沉积河道中，由于河道的迁移性和蜿蜒性，整个扇面布满了河道；河道断面的泥沙颗粒直径具有分选性：河道内沉积的主要是沙，而河堤沉积的主要是泥，水下河道中主要沉积粗颗粒，而两侧河堤则沉积较细的细颗粒，便有可能演变成为烃类储层，在深水中形成的浊流沉积层更有可能发展成为石油储层，对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测具有重要意义。

四、本发明，通过预测湖底或海底内浊流是否能够形成河道，进而能够勘测湖底或海底的地貌变化，对于深水沉积动力学具有重要意义。

五、本发明，通过预测水库库区内浊流是否能够形成河道，进而能够判断水库库区航道的安全性，从而能够保证航运正常稳定的运行。

具体实施方式

实施例1

一种水下浊流形成河道的预测方法，包括以下步骤：

a、首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；

b、根据步骤a测得的浊流流量Q、浊流宽度W和浊流高度H依式1计算确定无量纲浊流流量Q^*；

式中：

Q^*——无量纲浊流流量

Q——浊流流量,m³/s

W——浊流宽度,m

H——浊流高度,m

g——重力加速度,m/s²；

c、根据步骤a测得的泥沙中值粒径Dc计算确定泥沙颗粒沉降速度Vc；

d、根据步骤c得到的泥沙颗粒沉降速度Vc依式2计算确定浊流运动底坡纵比降S；

式中：

S——浊流运动底坡纵比降

Dc——泥沙中值粒径,mm

Vc——泥沙颗粒沉降速度，m/s

a——系数，范围为37.3-197.3，其中a＝86.5为中间值；

e、通过步骤d得到的浊流运动底坡纵比降S和式3确定河道形成条件；

0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，且C₀＞0.025(式3)

当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足式3的关系，即确定水下浊流形成河道。

本实施例为最基本的实施方式，首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；再计算无量纲浊流流量Q^*和泥沙颗粒沉降速度Vc；通过泥沙颗粒沉降速度Vc计算浊流运动底坡纵比降S；最后确定河道形成条件，当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，即确定水下浊流形成河道，与现有技术对于引入浊流体积浓度只能为0.1才能确定浊流形成河道相比，本发明浊流浓度C₀的值不限于0.1，通过无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀的关系能够对不同体积浓度下浊流形成河道进行预测，浊流浓度预测范围更广，能够对水库库区航道的安全性做出准确判断，通过准确的预测浊流形成河道，能够积极的采取相应措施，杜绝泥沙在库区内不均匀的沉积，防止库区内出现局部浅水区，保障库区内航运安全性。

实施例2

一种水下浊流形成河道的预测方法，包括以下步骤：

a、首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；

b、根据步骤a测得的浊流流量Q、浊流宽度W和浊流高度H依式1计算确定无量纲浊流流量Q^*；

式中：

Q^*——无量纲浊流流量

Q——浊流流量,m³/s

W——浊流宽度,m

H——浊流高度,m

g——重力加速度,m/s²；

c、根据步骤a测得的泥沙中值粒径Dc计算确定泥沙颗粒沉降速度Vc；

d、根据步骤c得到的泥沙颗粒沉降速度Vc依式2计算确定浊流运动底坡纵比降S；

式中：

S——浊流运动底坡纵比降

Dc——泥沙中值粒径,mm

Vc——泥沙颗粒沉降速度，m/s

a——系数，范围为37.3-197.3，其中a＝86.5为中间值；

e、通过步骤d得到的浊流运动底坡纵比降S和式3确定河道形成条件；

0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，且C₀＞0.025(式3)

当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足式3的关系，即确定水下浊流形成河道。

当泥沙中值粒径Dc≤0.076mm时，步骤c中泥沙颗粒沉降速度Vc依式4斯托克斯公式计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

当泥沙中值粒径Dc＞0.076mm时，通过式5计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

本实施例为一较佳实施方式，在湖泊和海洋内的浊流形成河道中得到了准确验证，水中的细颗粒泥沙在经河流汇入湖泊和海洋后，会在湖泊和海洋中逐渐沉积下来，泥沙的沉积除了一般的吉尔伯特三角洲模式外，还会有浊流运动，而浊流是重力流的一种形式，是沿水下斜坡峡谷流动的，浊流的运动条件十分容易达到，浊流主要是以细颗粒泥沙的搬运来产生一系列影响，通过准确预测湖泊和海洋内的浊流是否能够形成河道，能够有效减小浊流形成河道带来的危害。

实施例3

一种水下浊流形成河道的预测方法，包括以下步骤：

a、首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；

b、根据步骤a测得的浊流流量Q、浊流宽度W和浊流高度H依式1计算确定无量纲浊流流量Q^*；

式中：

Q^*——无量纲浊流流量

Q——浊流流量,m³/s

W——浊流宽度,m

H——浊流高度,m

g——重力加速度,m/s²；

c、根据步骤a测得的泥沙中值粒径Dc计算确定泥沙颗粒沉降速度Vc；

d、根据步骤c得到的泥沙颗粒沉降速度Vc依式2计算确定浊流运动底坡纵比降S；

式中：

S——浊流运动底坡纵比降

Dc——泥沙中值粒径,mm

Vc——泥沙颗粒沉降速度，m/s

a——系数，范围为37.3-197.3，其中a＝86.5为中间值；

e、通过步骤d得到的浊流运动底坡纵比降S和式3确定河道形成条件；

0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，且C₀＞0.025(式3)

当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足式3的关系，即确定水下浊流形成河道。

当泥沙中值粒径Dc≤0.076mm时，步骤c中泥沙颗粒沉降速度Vc依式4斯托克斯公式计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

当泥沙中值粒径Dc＞0.076mm时，通过式5计算确定。

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

ν——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

本发明，适用于确定水下浊流沉积层成为石油储层。

本发明，适用于勘测湖底或海底的地貌变化。

本发明，适用于判断水库库区航道的安全性。

本实施例为最佳实施方式，通过预测浊流是否能够形成河道，进而能够确定水下浊流沉积层是否能够成为石油储层，尤其是水下沉积河道中，由于河道的迁移性和蜿蜒性，整个扇面布满了河道；河道断面的泥沙颗粒直径具有分选性：河道内沉积的主要是沙，而河堤沉积的主要是泥，水下河道中主要沉积粗颗粒，而两侧河堤则沉积较细的细颗粒，便有可能演变成为烃类储层，在深水中形成的浊流沉积层更有可能发展成为石油储层，对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测具有重要意义。通过预测湖底或海底内浊流是否能够形成河道，进而能够勘测湖底或海底的地貌变化，对于深水沉积动力学具有重要意义。通过预测水库库区内浊流是否能够形成河道，进而能够判断水库库区航道的安全性，从而能够保证航运正常稳定的运行。

以下采用本发明分别对南美洲Amazon扇海底河道和云南洱海的茫涌溪水下扇河道进行实验验证：

南美洲Amazon扇海底河道：Amazon扇的流量是取自亚马逊河汛期最大浊流流量Q＝120000m³/s，因为这时的浊流浓度最高。浊流宽度W＝1500m，来自亚马逊河流介绍的文献，浊流高度H＝30m,根据汛期流量按一定的比例折减而来。浊流浓度：C₀＝0.083，按照汛期流水挟沙量换算而来。因此Q^*＝0.16，满足本发明式3。泥沙中值粒径Dc＝0.45mm,浊流运动底坡纵比降S＝0.0032，泥沙颗粒沉降速度Vc＝6.04cm/s，带入式2得到系数a＝53.4，介于37.3-197.3之间，满足式2，因此可以验证本发明的预测方法。

云南洱海的茫涌溪水下扇河道：茫涌溪扇的数据来自中国科学院南京地理与湖泊研究所等关于洱海的文献(中国科学院(南京地理与湖泊研究所,兰州地质研究所,南京地质古生物研究所,地球化学研究所).云南断陷湖泊环境与沉积.北京:科学出版社,1989.459-468.)：Q＝21.8m³/s，浊流宽度W＝25m，浊流高度H＝2m,浊流浓度C₀＝0.05。因此Q^*＝0.1，满足式3。泥沙中值粒径Dc＝0.103mm,浊流运动底坡纵比降S＝0.02，泥沙颗粒沉降速度Vc＝0.58cm/s，带入式2得到系数a＝113.7，介于37.3-197.3之间，满足式2，因此可以验证本发明的预测方法。

Claims (6)

1.一种水下浊流形成河道的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、首先测得浊流流量Q、浊流浓度C₀、浊流宽度W、浊流高度H和泥沙中值粒径Dc；

b、根据步骤a测得的浊流流量Q、浊流宽度W和浊流高度H依式1计算确定无量纲浊流流量Q^*；

$Q^{*}=\frac{Q}{W\·H\·\sqrt{gH}}$ (式1)

式中：

Q^*——无量纲浊流流量

Q——浊流流量,m³/s

W——浊流宽度,m

H——浊流高度,m

g——重力加速度,m/s²；

c、根据步骤a测得的泥沙中值粒径Dc计算确定泥沙颗粒沉降速度Vc；

d、根据步骤c得到的泥沙颗粒沉降速度Vc依式2计算确定浊流运动底坡纵比降S；

$S=a{\left(\frac{{D_c}^2{V}_c}{Q}\right)}^{0.325}$ (式2)

式中：

S——浊流运动底坡纵比降

Dc——泥沙中值粒径,mm

Vc——泥沙颗粒沉降速度，m/s

a——系数，范围为37.3-197.3，其中a＝86.5为中间值；

e、通过步骤d得到的浊流运动底坡纵比降S和式3确定河道形成条件；

0.27C₀+0.03＜Q^*＜0.27C₀+0.33，且C₀＞0.025(式3)

当浊流浓度C₀＞0.025，且无量纲浊流流量Q^*与浊流浓度C₀满足式3的关系，即确定水下浊流形成河道。

2.根据权利要求1所述的一种水下浊流形成河道的预测方法，其特征在于：当泥沙中值粒径Dc≤0.076mm时，步骤c中泥沙颗粒沉降速度Vc依式4斯托克斯公式计算确定。

$Vc=\frac{{\mathrm{gDc}}^2({\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ})}{18\mathrm{\γ}v}$ (式4)

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

v——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

3.根据权利要求1所述的一种水下浊流形成河道的预测方法，其特征在于：当泥沙中值粒径Dc＞0.076mm时，通过式5计算确定。

$V_c=-14\frac{v}{D_c}+\sqrt{{\left(14\frac{v}{D_c}\right)}^2+1.09\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{gD}}_c}$ (式5)

式中：

γ_s——泥沙容重，2.65g/cm³

γ——水容重，1g/cm³

v——水的动力粘性系数，1.14×10-6m²/s-1.01×10-6m²/s，温度为15-20℃。

4.根据权利要求1所述的一种水下浊流形成河道的预测方法的应用，其特征在于：适用于确定水下浊流沉积层成为石油储层。

5.根据权利要求1所述的一种水下浊流形成河道的预测方法的应用，其特征在于：适用于勘测湖底或海底的地貌变化。

6.根据权利要求1所述的一种水下浊流形成河道的预测方法的应用，其特征在于：适用于判断水库库区航道的安全性。