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卢斌等：泥页岩沉积物理模拟研究进展与发展趋势

科技 06-22 来源：沉积学报

泥页岩沉积物理模拟研究进展与发展趋势

卢斌1,2，邱振1,2，周川闽1，董大忠1,2，梁萍萍1,2

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083

2.国家能源页岩气研发（实验）中心，河北廊坊 065007

泥页岩约占沉积岩三分之二，不仅记录着丰富的地质信息，同时也是化石燃料、金属与非金属等矿产的重要物质来源。前人通过利用矿物学、岩石学、地球化学等手段，对泥页岩的沉积构造、矿物特征、元素组成、沉积环境等开展了大量工作，但目前它们的沉积过程与形成机理研究仍处于探索阶段。

沉积物理模拟实验是模拟沉积物沉积过程、揭示其形成机理的有效手段之一。通过调研国内外泥页岩沉积物理模拟研究进展，总结沉积物理模拟技术经验，展望泥页岩沉积模拟研究发展方向和趋势，以期有助于国内泥页岩沉积物理模拟研究。同时，泥页岩沉积物理模拟也是非常规油气沉积学研究的重要技术之一，结合数值模拟技术，可从机理上探讨泥页岩层系中优质储层发育过程，精细刻画优质储层分布，助力页岩油气高效勘探开发。

随着科技的发展与研究的深入，国内外沉积物理模拟实验室从简陋走向先进，所使用仪器从简单走向精密，从手动走向智能。国外沉积物理模拟形式十分丰富，除了粗粒沉积模拟之外，还开展细粒沉积模拟研究，在流体的流变学和水动力属性、沉积底形、沉积产物及地貌景观等方面已取得重要进展（图1）。国内沉积物理模拟主要集中在工程和沉积地质两方面。工程方面主要是为了解决防洪、水库淤积、灌溉渠淤积、港湾河口淤积、风沙治理、固体颗粒管路输送等问题，泥沙运动力学是其研究重点。沉积地质主要研究河流、冲积扇、扇三角洲、三角洲、河口坝、滩坝、重力流等常见的粗粒沉积，而对细粒沉积研究甚少。

图1 美国印第安纳大学页岩实验室

近年来，泥页岩沉积物理模拟也取得了重要进展，主要包括泥页岩沉积机理、砂质纹层沉积机理、透镜状纹层沉积机理和细粒碳酸盐岩沉积机理等4个方面。Juergen Schieber教授团队通过利用沉积物理模拟实验提出了，泥页岩可在一定水动力条件下通过底流搬运作用沉积形成，并非完全沉积于间歇性弱水动力的静水环境；透镜状纹层的存在可能指示页岩沉积期的间歇性侵蚀和泥质在沉积物表面的搬运过程（图2）；砂质纹层页岩中交替出现的砂泥互层并非平静间歇带和交替流的标志，而是水流携带的沉积物在底流搬运过程中出现分选的结果；细粒碳酸盐岩中的粗—细互层结构，可能指示同一水流同期沉积而成，而不是由于沉积物供应波动强烈或水流间歇作用，以及沉积改造形成（图3）。

图2 页岩中透镜状层理的沉积过程模式图

虽然已有学者对泥页岩的沉积过程、沉积构造、沉积动力学机理等开展了大量工作，但泥页岩沉积物理模拟研究目前还存模拟方法简单、实验技术落后和实验目的简单等3个主要问题。沉积物理模拟是一种研究泥页岩的重要手段，国内外广泛建立的各种类型沉积物理模拟实验室为泥页岩进一步研究奠定了基础。据此，关于泥页岩沉积、搬运、侵蚀等沉积动力学相关研究取得一定进展，推动了非常规油气沉积学的发展。通过开展泥页岩物理模拟研究，既可完善古物源、古水深、古气候、古生产力等古沉积环境恢复指标，也可服务于全球气候变化、地质资源开发、水利工程建设、生态环境保护和自然灾害防治等研究。