CN107609254A - 细粒沉积物的沉积数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，该方法根据不同沉积方式，计算不同沉积方式的细粒沉积物沉降速率v；通过剥蚀公式计算沉积物的剥蚀量m_剥蚀，将沉积物的沉积沉降速率v和剥蚀量m_剥蚀计算得到不同沉积方式沉积物的质量m_沉积；并将不同沉积方式的沉积物的质量m_沉积计算求和，得到沉积物的总沉积量m_总；根据岩石的密度公式计算沉积物的体积，根据网格面积的大小和厚度公式计算沉积物的沉积厚度，将沉积厚度叠加到初始底形上，得到沉积底型的变化，直至模拟结束实现对研究区的定量表征，实现对细粒沉积物的数值模拟。本发明明确了细粒沉积的沉积过程，充分考虑了细粒沉积的各个过程，满足了细粒沉积的模拟需求。

Description

细粒沉积物的沉积数值模拟方法

技术领域

本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地指一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法。

背景技术

在以往的研究中，细粒沉积物的沉降过程都是在实验室中进行的，例如全息照相装置，但是它只能测定为数有限的几种颗粒，而且这些颗粒必须是大粒径的(>15μm)。而且在实验室中观察到的，往往人为因素过多，而且误差也较大，与实际沉降过程往往有所偏差，并且无法详细的区分细粒沉积物经历了何种作用而沉积，以及无法详细的判断某种沉积作用下细粒沉积物的沉积分布特征。

发明内容

本发明目的是提供一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，在充分考虑了沉积区的水动力条件下，对细粒沉积物的沉降方式进行描述，实现细粒沉积物沉积过程的数值模拟，为细粒沉积物的研究提供一种新的技术方法，以满足地质工作者的需求。

为实现上述目的，本发明提供的一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，包括如下步骤：

1)根据研究区的资料，将研究区进行网格化，从而构建水动力模型；

2)从沉积细粒沉积岩的沉积动力学特征出发，开展沉积学调查研究，并对不同的沉积环境的进行动态模拟，确定研究区沉积细粒沉积岩的地质构造特征，以及细粒沉积岩形成的物理条件(包括水体的密度、水体的深度、水体的粘度、水体的温度、一系列条件，水动力条件：包括流速、流体形态一系列参数；)；

3)在步骤2)的基础上，根据沉积细粒沉积岩的地质构造特征 以及细粒沉积岩形成的物理条件，将细粒沉积物的沉积方式分为三类，分别为重力方式沉积、絮凝方式沉积和细粒沉积物悬浮后再沉积；根据不同沉积方式，计算不同沉积方式的细粒沉积物沉降速率v；

4)通过剥蚀公式计算沉积物的剥蚀量m_剥蚀，

5)将步骤3)和步骤4)得到的沉积物的沉积沉降速率v和剥蚀量m_剥蚀代入下述公式中，计算得到不同沉积方式沉积物的质量m_沉积；并将不同沉积方式的沉积物的质量m_沉积计算求和，得到沉积物的总沉积量m_总；

m_沉积＝v*s_面积*c_浓度*ρ_{沉积物密度}；

式中，m_沉积为沉积物的质量、v为不同沉降方式下的沉积物沉积速率、

s_面积为计算网格的面积

c_浓度为不同沉降方式下的沉积物的浓度、ρ_{沉积物密度}为泥岩的密度；

6)将根据岩石的密度公式ρ_{沉积物密度}＝m_沉积/v_体积，计算沉积物的体积，

ρ_沉积物密为泥岩密度、m_沉积为质量、v为体积；

7)根据网格面积的大小和厚度公式：厚度＝体积/面积，计算沉积物的沉积厚度，将沉积厚度叠加到初始底形上，得到沉积底型的变化，作为下一时刻的沉积底形；

8)重复上述步骤2至步骤7，直至模拟结束实现对研究区的定量表征，实现对细粒沉积物的数值模拟。

进一步地，所述步骤2)中，研究区沉积细粒沉积岩的地质构造特征，以及细粒沉积岩形成的物理条件的具体方法：

a.依据Navier-Stocks方程的并行有限元算法模拟研究区的盐度分布，离子组分分布，将盐度、离子组分分布数据与地质资料进行对比分析，调整边界条件参数，使物理条件参数符合地质条件；

b.Navier-Stocks方程在控制方程的基础上对包括水体的粘度、水体的密度、重力加速度、水体的盐度物理条件进行表征，得到各个位置的流速、盐度、深度一系列物理参数。

再进一步地，所述步骤3)中，细粒沉积物为重力方式沉积时， 对于重力沉降过程中，形成的沉积岩，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据重力公式，计算重力成因的细粒沉积物沉降速率；

矢量公式如下：

ρdu/dt＝-▽p+pF+μ△u

ρdv/dt＝-▽p+pF+μ△v

ρdw/dt＝-▽p+pF+μ△w (1)

式中，△是拉普拉斯算子；

ρ是流体密度；mg/L

p是压力；Pa

u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。

X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数；

沉降公式如下：v_重＝2g(ρ_s－ρ)μgr² (2)

式中，v_重为沉降速率，cm/min

ρ_s1颗颗粒密度；mg/cm³

ρ为流体密度；mg/L

μ为流体黏度；Pa·s

r为颗粒半径；cm

g为重力加速度m/s²

再进一步地，所述步骤3)中，细粒沉积物为絮凝方式沉积时，对于絮凝成因采用条件约束的方式，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据絮凝成因的条件分析，计算得到絮凝成因的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

式中，v_絮凝为絮凝沉降速率，cm/min；

ρ_s2为絮体中颗粒组分密度，mg/L；

ρ为液体密度，mg/L；

(ρ_s-ρ)可代表絮体有效密度；

g为重力加速度常数，cm/min²；

L为絮体粒径，cm；

μ为介质黏度系数，cm²/min。

再进一步地，所述步骤3)中，细粒沉积物为细粒沉积物悬浮后再沉积时；对于悬浮后再沉积的细粒沉积物，根据步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据细粒沉积物悬浮的临界浓度，以及沉积物的剥蚀量，计算悬浮后在沉积的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

v_悬浮＝αe^-βcτ (4)

式中，v_悬浮为悬浮颗粒沉降速率，cm/min；

c为悬浮液百分比浓度，mol；

τ为悬浮液屈服应力，Pa；

e为自然对数的底；

β为常数，取决于悬浮颗粒的形状、尺寸和悬浮液的状态；

α为悬浮颗粒在水中的最终下沉速度，即U_b。

再进一步地，所述步骤4)中，剥蚀的公式如下：

m_剥蚀＝f*e*v

其中，m_剥蚀为沉积物的剥蚀量；

f为随机函数；

e为剥蚀系数；

v_水为水体流速。

本发明的有益效果在于：

1、本发明明确了细粒沉积的沉积过程，将沉积过程分为3类，充分考虑了细粒沉积的各个过程，满足了细粒沉积的模拟需求；

2、本发明的方法为细粒沉积的沉积过程提供一种新的研究方法；

3、本发明的方法为研究细粒沉积的沉积机理提供一种新的研究思路。附图说明

图1为细粒沉积物的沉积数值模拟方法流程图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

如图1所示：一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，包括如下步骤：

1)根据研究区的资料，将研究区进行网格化，从而构建水动力模型；

2)从沉积细粒沉积岩的沉积动力学特征出发，开展沉积学调查研究，并对不同的沉积环境的进行动态模拟，确定研究区沉积细粒沉积岩的地质构造特征，以及细粒沉积岩形成的物理条件；其具体方法：

a.依据Navier-Stocks方程的并行有限元算法模拟研究区的盐度分布，离子组分分布，将盐度、离子组分分布数据与地质资料进行对比分析，调整边界条件参数，使物理条件参数符合地质条件；

b.Navier-Stocks方程在控制方程的基础上对包括水体的粘度、水体的密度、重力加速度、水体的盐度物理条件进行表征，得到各个位置的流速、盐度、深度一系列物理参数。

3)在步骤2)的基础上，根据沉积细粒沉积岩的地质构造特征以及细粒沉积岩形成的物理条件，将细粒沉积物的沉积方式分为重力方式沉积；根据下述沉积方式，计算重力方式沉积的细粒沉积物沉降速率v_重；

细粒沉积物为重力方式沉积时，对于重力沉降过程中，形成的沉积岩，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据重力公式，计算重力成因的细粒沉积物沉降速率；

矢量公式如下：

ρdu/dt＝-▽p+pF+μ△u

ρdv/dt＝-▽p+pF+μ△v

ρdw/dt＝-▽p+pF+μ△w (1)

式中，△是拉普拉斯算子；

ρ是流体密度；mg/L

p是压力；Pa

u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。

X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数；

沉降公式如下：v_重＝2g(ρ_s－ρ)μgr² (2)

式中，v_重为沉降速率，cm/min

ρ_s1颗颗粒密度；mg/cm³

ρ为流体密度；mg/L

μ为流体黏度；Pa·s

r为颗粒半径；cm

g为重力加速度m/s²

4)通过剥蚀公式计算沉积物的剥蚀量m_剥蚀，

剥蚀的公式如下：

m_剥蚀＝f*e*v

其中，m_剥蚀为沉积物的剥蚀量；

f为随机函数；

e为剥蚀系数；

v_水为水体流速。

5)将步骤3)和步骤4)得到的重力方式沉积的细粒沉积物沉降速率v_重和剥蚀量m_剥蚀代入下述公式中，计算得到重力方式沉积的细粒沉积物的质量m_沉积；即为沉积物的总沉积量m_总；

m_沉积＝v*s_面积*c_浓度*ρ_{沉积物密度}；

式中，m_沉积为沉积物的质量、v为不同沉降方式下的沉积物沉积速率、

s_面积为计算网格的面积

c_浓度为不同沉降方式下的沉积物的浓度、ρ_{沉积物密度}为泥岩的密度；

6)将根据岩石的密度公式ρ_{沉积物密度}＝m_沉积/v_体积，计算沉积物的体积，

ρ_沉积物密为泥岩密度、m_沉积为质量、v为体积；

7)根据网格面积的大小和厚度公式：厚度＝体积/面积，计算沉积物的沉积厚度，将沉积厚度叠加到初始底形上，得到沉积底型的变化，作为下一时刻的沉积底形；

8)重复上述步骤2至步骤7，直至模拟结束实现对研究区的定量表征，实现对细粒沉积物的数值模拟。

实施例2

一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，本实施例的方法与实施例1基本相同，不同之处在于步骤3)和步骤5)，具体如下：

3)在步骤2)的基础上，根据沉积细粒沉积岩的地质构造特征以及细粒沉积岩形成的物理条件，将细粒沉积物的沉积方式分为重力方式沉积、絮凝方式沉积；根据下述不同沉积方式，计算不同沉积方式的细粒沉积物沉降速率v；

细粒沉积物为重力方式沉积时，对于重力沉降过程中，形成的沉积岩，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据重力公式，计算重力成因的细粒沉积物沉降速率；

矢量公式如下：

ρdu/dt＝-▽p+pF+μ△u

ρdv/dt＝-▽p+pF+μ△v

ρdw/dt＝-▽p+pF+μ△w (1)

式中，△是拉普拉斯算子；

ρ是流体密度；mg/L

p是压力；Pa

u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。

X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数；

沉降公式如下：v_重＝2g(ρ_s－ρ)μgr² (2)

式中，v_重为沉降速率，cm/min

ρ_s1颗颗粒密度；mg/cm³

ρ为流体密度；mg/L

μ为流体黏度；Pa·s

r为颗粒半径；cm

g为重力加速度m/s²

细粒沉积物为絮凝方式沉积时，对于絮凝成因采用条件约束的方式，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据絮凝成因的条件分析，计算得到絮凝成因的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

式中，v_絮凝为絮凝沉降速率，cm/min；

ρ_s2为絮体中颗粒组分密度，mg/L；

ρ为液体密度，mg/L；

(ρ_s-ρ)可代表絮体有效密度；

g为重力加速度常数，cm/min²；

L为絮体粒径，cm；

μ为介质黏度系数，cm²/min。

5)将步骤3)和步骤4)得到的沉积物的沉积沉降速率v和剥蚀量m_剥蚀代入下述公式中，计算得到不同沉积方式沉积物的质量m_沉积；并将不同沉积方式的沉积物的质量m_沉积计算求和，得到沉积物的总 沉积量m_总。

实施例3

一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，本实施例的方法与实施例3基本相同，不同之处在于步骤3)，具体如下：

3)在步骤2)的基础上，根据沉积细粒沉积岩的地质构造特征以及细粒沉积岩形成的物理条件，将细粒沉积物的沉积方式分为三类，分别为重力方式沉积、絮凝方式沉积和细粒沉积物悬浮后再沉积；根据不同沉积方式，计算不同沉积方式的细粒沉积物沉降速率v；

细粒沉积物为重力方式沉积时，对于重力沉降过程中，形成的沉积岩，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据重力公式，计算重力成因的细粒沉积物沉降速率；

矢量公式如下：

ρdu/dt＝-▽p+pF+μ△u

ρdv/dt＝-▽p+pF+μ△v

ρdw/dt＝-▽p+pF+μ△w (1)

式中，△是拉普拉斯算子；

ρ是流体密度；mg/L

p是压力；Pa

u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。

X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数；

沉降公式如下：v_重＝2g(ρ_s－ρ)μgr² (2)

式中，v_重为沉降速率，cm/min

ρ_s1颗颗粒密度；mg/cm³

ρ为流体密度；mg/L

μ为流体黏度；Pa·s

r为颗粒半径；cm

g为重力加速度m/s²；

细粒沉积物为絮凝方式沉积时，对于絮凝成因采用条件约束的方式，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据絮凝成因的条件分析，计算得到絮凝成因的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

式中，v_絮凝为絮凝沉降速率，cm/min；

ρ_s2为絮体中颗粒组分密度，mg/L；

ρ为液体密度，mg/L；

(ρ_s-ρ)可代表絮体有效密度；

g为重力加速度常数，cm/min²；

L为絮体粒径，cm；

μ为介质黏度系数，cm²/min。

细粒沉积物为细粒沉积物悬浮后再沉积时；对于悬浮后再沉积的细粒沉积物，根据步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据细粒沉积物悬浮的临界浓度，以及沉积物的剥蚀量，计算悬浮后在沉积的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

v_悬浮＝αe^-βcτ (4)

式中，v_悬浮为悬浮颗粒沉降速率，cm/min；

c为悬浮液百分比浓度，mol；

τ为悬浮液屈服应力，Pa；

e为自然对数的底；

β为常数，取决于悬浮颗粒的形状、尺寸和悬浮液的状态；

α为悬浮颗粒在水中的最终下沉速度，即U_b。

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明 做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据研究区的资料，将研究区进行网格化，从而构建水动力模型；

2)从沉积细粒沉积岩的沉积动力学特征出发，开展沉积学调查研究，并对不同的沉积环境的进行动态模拟，确定研究区沉积细粒沉积岩的地质构造特征，以及细粒沉积岩形成的物理条件；

3)在步骤2)的基础上，根据沉积细粒沉积岩的地质构造特征以及细粒沉积岩形成的物理条件，将细粒沉积物的沉积方式分为三类，分别为重力方式沉积、絮凝方式沉积和细粒沉积物悬浮后再沉积；根据不同沉积方式，计算不同沉积方式的细粒沉积物沉降速率v；

4)通过剥蚀公式计算沉积物的剥蚀量m_剥蚀，

5)将步骤3)和步骤4)得到的沉积物的沉积沉降速率v和剥蚀量m_剥蚀代入下述公式中，计算得到不同沉积方式沉积物的质量m_沉积；并将不同沉积方式的沉积物的质量m_沉积计算求和，得到沉积物的总沉积量m_总；

m_沉积＝v*s_面积*c_浓度*ρ_{沉积物密度}；

式中，m_沉积为沉积物的质量、v为不同沉降方式下的沉积物沉积速率；

s_面积为计算网格的面积；

c_浓度为不同沉降方式下的沉积物的浓度、ρ_{沉积物密度}为泥岩的密度；

6)将根据岩石的密度公式ρ_{沉积物密度}＝m_沉积/v_体积，计算沉积物的体积，ρ_沉积物密为泥岩密度、m_沉积为质量、v为体积；

7)根据网格面积的大小和厚度公式：厚度＝体积/面积，计算沉积物的沉积厚度，将沉积厚度叠加到初始底形上，得到沉积底型的变化，作为下一时刻的沉积底形；

8)重复上述步骤2至步骤7，直至模拟结束实现对研究区的定量表征，实现对细粒沉积物的数值模拟。

2.根据权利要求1所述细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：所述步骤2)中，研究区沉积细粒沉积岩的地质构造特征，以及细粒沉积岩形成的物理条件的具体方法：

a.依据Navier-Stocks方程的并行有限元算法模拟研究区的盐度分布，离子组分分布，将盐度、离子组分分布数据与地质资料进行对比分析，调整边界条件参数，使物理条件参数符合地质条件；

b.Navier-Stocks方程在控制方程的基础上对包括水体的粘度、水体的密度、重力加速度、水体的盐度物理条件进行表征，得到各个位置的流速、盐度、深度一系列物理参数。

3.根据权利要求1所述细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：所述步骤3)中，细粒沉积物为重力方式沉积时，对于重力沉降过程中，形成的沉积岩，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据重力公式，计算重力成因的细粒沉积物沉降速率；

矢量公式如下：

式中，△是拉普拉斯算子；

ρ是流体密度；mg/L

p是压力；Pa

u，v，w是流体在t时刻，在点(x，y，z)处的速度分量。

X，Y，Z是外力的分量；

常数μ是动力粘性系数；

沉降公式如下：v_重＝2_g(ρ_s－ρ)μgr² (2)

式中，v_重为沉降速率，cm/min

ρ_s1颗颗粒密度；mg/cm³

ρ为流体密度；mg/L

μ为流体黏度；Pa·s

r为颗粒半径；cm

g为重力加速度m/s²

4.根据权利要求1所述细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：所述步骤3)中，

细粒沉积物为絮凝方式沉积时，对于絮凝成因采用条件约束的方式，在步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据絮凝成因的条件分析，计算得到絮凝成因的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

式中，v_絮凝为絮凝沉降速率，cm/min；

ρ_s2为絮体中颗粒组分密度，mg/L；

ρ为液体密度，mg/L；

(ρ_s-ρ)可代表絮体有效密度；

g为重力加速度常数，cm/min²；

L为絮体粒径，cm；

μ为介质黏度系数，cm²/min。

5.根据权利要求1所述细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：所述步骤3)中，细粒沉积物为细粒沉积物悬浮后再沉积时；对于悬浮后再沉积的细粒沉积物，根据步骤2)中对沉积环境的动态模拟的基础上，根据细粒沉积物悬浮的临界浓度，以及沉积物的剥蚀量，计算悬浮后在沉积的细粒沉积物沉降速率；

沉降公式如下：

v_悬浮＝αe^-βcτ (4)

式中，v_悬浮为悬浮颗粒沉降速率，cm/min；

c为悬浮液百分比浓度，mol；

τ为悬浮液屈服应力，Pa；

e为自然对数的底；

β为常数，取决于悬浮颗粒的形状、尺寸和悬浮液的状态；

α为悬浮颗粒在水中的最终下沉速度，即U_b。

6.根据权利要求1所述细粒沉积物的沉积数值模拟方法，其特征在于：所述步骤4)中，剥蚀的公式如下：

m_剥蚀＝f*e*v

其中，m_剥蚀为沉积物的剥蚀量；

f为随机函数；

e为剥蚀系数；

v_水为水体流速。