物理沉积模拟研究的历史和现状
(1)沉积物理模拟技术的研究历史
1.以观察和描述现象为主要研究内容的初级阶段。
19年底，迪肯(1894)第一次在一个玻璃缸中观察并描述了泥沙运动形成的波痕。吉尔伯特(1914)首次在不同水流强度下用各种粒径的沙子进行水槽实验，详细观察和描述了一系列沉积现象和结构。他当时描述的沙丘后来被其他研究者命名为不对称波痕。在20世纪四五十年代，爱因斯坦(1950)、布鲁克斯(1965)和伯格·诺尔多(l954，1966)也完成了一些开创性的实验，建立了一些实验沉积学的基本方法，但在这一时期，西蒙斯等人(1961，1965)关于水槽实验的系统研究报告在沉积界引起了一场震动，即
西蒙斯的实验是在一个长150英尺、宽8英尺、深2英尺的倾斜循环槽上进行的。水箱的倾斜度可以从0度变化到0.013度，流速可以从2到22英尺3/秒变化..此外，Simons等人还使用了一个长度为60英尺、宽度为2英尺、深度为2.5英尺的小型倾斜循环槽，该小型槽的底部坡度可在0至0.025之间变化。在宽2英尺的小型水槽中进行了专门研究，以确定粘性、河床密度和河床分选在冲积河道水流中的重要作用。
Simons给出了8英尺宽大型水槽和2英尺宽小型水槽中所用床料的粒径分布。除非另有说明，粒径分布用沉降粒径表示(Colby，1964)。该分布曲线基于实验研究期间和之后大量随机选择的砂样品的粒度分析。
西蒙斯和理查森从1956和1965开始完成了一系列实验。每个实验的一般步骤是循环给定的水沙混合流，直到建立平衡流条件。Simons将平衡流定义为一种流动，即水流在整个水槽中建立的床面形状和底坡与流体流动和河床质的特性一致，除了进出口效应的范围，即水流的时均水面坡度恒定且平行于时均河床底坡，河床质流的浓度恒定。注意Simons等人在这里特别强调，不要把平衡流和恒定均匀流的概念混为一谈，因为对于水沙平衡流来说，在同一个空间点，流速可以发生变化，也可以从这个空间点变化到另一个空间点。也就是说，冲积河道除了平底形状外，没有恒定均匀的水流。
2.以沉积机制研究为主要内容的快速发展期。
从20世纪60年代到80年代，随着科学技术的发展，模拟实验的设备和技术日益完善。实验内容不限于对沉积现象的观察和描述，而是深入研究沉积机理。
Schumm(1968，1971，1977)和Williams通过水槽试验研究了非均匀底床对流量变化的响应。凯林斯克(1987)、切尔(1986)、弗雷泽(1990)、布里奇(1981)、利德(1983)、卢克(1974)、克劳利(1983)、布里奇(1938)麻省理工学院地球与行星科学系的Susad和他的同事Bogewall (1973)使用了一个长6m、宽17cm、深30cm的倾斜水槽进行了从波纹到底部平坦床沙的实验研究，然后在1981年的时间里，与加拿大学者Costero (1981)合作，将几何， 在长为11.5m、宽为0.92m的水槽中，用分选良好的粗砂研究了底流形态的迁移和水力特性。美国新泽西州立大学地质科学系的Southard(1971)和Ashley (1982)分别用水槽模拟了爬波层理的沉积特性，并用水深和平均流速来表征明渠均匀流中的床面形状 如果使用无量纲水深、流速和颗粒大小(或这三个变量本身)，
这一时期值得一提的学者有三位，分别是J.B.Southand、J.R.L.Allen和J.L.Best，由于他们的出色工作，沉积学科有了坚实的基础，沉积模拟的研究被赋予了新的活力。
在这个阶段的后期，模拟实验的内容已经非常广泛，比如浊流模拟实验、风洞模拟实验、风暴模拟实验等等。这些模拟实验不仅推动了沉积学理论的发展，而且对油气勘探开发具有重要的现实意义。例如，美国地质调查局在20世纪70年代开始用风洞实验研究风成沙丘的特征，并进一步研究沙层的渗流特征，从而为采油研究服务。风洞实验也经历了漫长的历程。在20世纪40年代和60年代，风洞实验主要用于研究沙和土壤的运移机理。学者有诺尔多(1914)、Cepil和Chepil等人(1963)等。在20世纪70年代和80年代，风洞实验已经被使用。Mckee等人(1971)利用风洞实验研究了风成沙堆背风面的各种变形构造，Fryberger等人(1981)进一步发展了这些变形构造。这个风洞由一个槽和一个盆组成。本实验重点研究了波痕、滑塌和颗粒下落的沉积特征，并描述了它们的形成条件。60年代以来，浊流模拟实验越来越受到重视，包括Middleton (1976b，1976，1977)、Riddell (1969)和Laval等人，70年代的模拟实验虽然深入，但数学模型无法预测沙堆尺度(包括长度和厚度)的变化。尽管Selley (1979)和Allen (1976)提出了有希望的方法，但他们未能详细和准确地预测受控条件下底部形状的变化。
在此期间，从事实验研究的其他学者还有Rathbun等人(1969)、Williams (1967)、Rees (1966)。
3.以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。这个阶段既注重解决理论问题，又注重解决实际问题，与油气勘探开发相结合。
如果仔细研究80年代以前的实验内容和国外文献，不难发现，在此之前的泥沙淤积模拟实验主要存在三个问题:一是实验条件，以往的水槽实验多采用分选砂，忽略了泥沙和砾石的淤积；另外，实验过程多采用均匀流，忽略了非均匀流；大多是在稳定平衡的条件下进行的，忽略了不稳定状态的影响，而这些被忽略的因素是自然环境下成床的共同条件。二是实验内容。以往的水槽实验主要是模拟河流和浑水的输移和沉积，而对盆地沉积体系和砂体分布的模拟实验以及砂体规模和延伸的定量预测研究不够或基本没有开展。三、实验目的。以往的水槽实验主要侧重于沉积学的基础理论，而很少关注实际应用。原因是做这个实验有很多实际困难。比如砾石沉积的实验需要更宽、更深、更大的流量槽，淤泥沉积的实验需要更严格的化学物理条件，大盆地沉积体系的模拟实验成本很高，需要更先进的技术设备和控制系统。
20世纪80年代以后，鉴于上述方面的严重不足，各国实验沉积学家调整了研究思路，克服了许多困难。他们在尽可能保持原有特色的基础上，要么大规模改造原有实验室结构，要么重新建立适合砂体模拟的大型实验室。以下三个值得一提。
1)科罗拉多州立大学工程研究中心大型流水地貌实验装置。实验装置主要模拟河流沉积，同时可以模拟自然降雨对河流地貌的影响，以及不同边界条件下河床的变形规律和单砂体的形成机理。许多美国实验沉积学家在这个实验室完成了一系列实验(Baridge，1993；Bryant，1993)，中国访问学者赖志云教授也在这里完成了鸟脚三角洲形成演化的模拟实验。
2)瑞士联邦理工学院代尔夫特模拟实验室。实验室属于荷兰河流与航海分会，是一个比较现代化的实验室。为了搞应用基础研究，这个房间里专门建了一个大水缸。水箱由钢筋混凝土制成，观察部分由带玻璃窗的钢架制成。水槽总长98m，宽2.5m，带玻璃窗长50m，测量断面30m，测量断面分别为0.3m和1.5m。最大无泥沙水深为1m。水槽周围安装各种控制和测量装置，微机和微信息处理器能自动获取数据，改变各种边界条件(如流量)。在玻璃窗部分上方设置轨道，供仪器车运行。
三个剖面指示器和一个水位计安装在仪器车上，这样可以测量三个纵床水平剖面，通常一个位于罐的中间，另外两个位于罐壁宽度1/6处。记录的数据由微型计算机进行采集、存储和计算，最后输出结果。在1983中，项目工程师Wijbenga和项目顾问Klaasen利用该装置研究了不稳定流条件下底形尺度的变化。数据处理后，自动绘制出各过渡带水深与时间、沙堆高度与时间、沙堆长度与时间的关系曲线，从而确定底形尺度的变化规律。欧洲学者在这里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343米，宽几米(具体数字不详)。自动化程度高，监测设备比较齐全，分析手段先进。先后完成了波浪对泥沙的输移转化、饱和与非饱和泥沙输移的河流沉积体系、湖泊沉积和水动力学等一系列实验，并有一批来自世界各地的访问研究人员定期发表研究成果。
从这个角度来看，20世纪80年代和90年代的沉积模拟有两个特点，一是从定性描述逐渐向半定量或定量研究转变，二是从小尺度水槽实验向大尺度盆地沉积体系模拟转变。
(2)中国沉积物理模拟技术的发展现状
1.中国沉积物理模拟研究基本概况
1985之前，我国水槽实验室主要集中在水利、水电、地理部门的相关高校和研究单位，从事泥沙运动规律、河流演变和大型水利水电工程的试验研究。20世纪70年代末，长春地质学院建造了第一个用于沉积学研究的小玻璃槽。这个水池长6米，高80厘米，宽25厘米，主要研究底部形状的形成和发展。80年代，中科院地质研究所也用自己的小水槽做了一些研究工作。这是中国仅有的两个主要用于沉积学研究的水槽。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出了第一步。
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，我国油气勘探开发的形势对定量沉积学、储层沉积学和沉积模拟实验提出了一些急需解决的实际问题。多年来，中国东部陆相裂谷湖盆研究中存在一些有争议的问题，如陡坡沉积体系、扇三角洲和水下扇的形成条件和分布规律，裂谷湖盆与坳陷湖盆的区别等，有待沉积模拟实验验证。不同类型单砂层的形态、规模和延伸方向也需要通过沉积模拟实验进行合理预测。因此，在1985之后，许多沉积学家根据当前世界沉积学的发展趋势和我国油气勘探开发的生产实践及未来发展需要，积极呼吁在我国建立沉积模拟实验室。专家认为，实验室应以模拟陆相盆地沉积砂体为重点，以储层研究为重点，解决生产中的实际问题，以陆相湖盆砂体分布、定量预测各类砂体的规模和性能、提高勘探开发效益的成功率为主要目标；此外，实验室的建立还应兼顾沉积学的基础研究，为人才培养和对外交流提供条件，促进我国沉积学理论的发展，逐步发展成为全国性的沉积模拟实验室。该实验室的建立也是将理论研究转化为生产力的重要手段，符合世界油气勘探开发关注储层的趋势，因此中石油沉积模拟重点实验室应运而生。
2.2实验装置简介。中国石油集团沉积模拟重点实验室。
(1)工厂规模
中国石油天然气集团公司沉积模拟重点实验室的实验装置长16m，宽6m，深0.8m，距地面高2.2m。湖盆前部有1个进水口(出水口)，两侧有两个用于模拟复合沉积体系，尾部有一个。整个湖盆用混凝土浇筑，确保不渗漏。一条环形水道环绕着湖盆。湖盆屋顶采用槽钢石棉瓦结构，可以保证实验过程不受天气变化影响，有利于采光。
(2)活动底板和控制系统
活动地板系统是实验室的重要组成部分。根据我国东部断陷盆地的实际情况，没有基底的升降，就无法产生断裂系统，无法模拟构造运动，无法模拟构造对沉积的控制作用，实验室的功能和作用就会大打折扣。因此，在湖盆地区设置活动地板是必要的。
实验室的活动地板面积由四块活动地板组成，每块活动地板的面积为2.5m×2.5m=6.25m2，活动地板可以同步、异步、同步、异步左右倾斜。有源区斜率为反正切0.35，上升范围为10cm，下降范围为35cm，同步误差小于2 mm..每块底板由四根支柱支撑，水密砂密，灵活可靠，基本满足实验要求。
活动地板的控制由16步进电机、16减速器、四个驱动电源、计算机和电子元件实现。计算机输出的脉冲数控制步进电机的旋转，转换成活动地板的升降。步进电机最大的优点是可以精确控制运动状态，垂直速度可以根据需要调节，从而满足自然地壳运动特性的要求。
(3)检测桥架驱动定位系统
为了有效监控砂体沉积过程，便于砂体检测，目前在湖盆上安装了一座跨度为6m、宽度为1m的检测桥。测量桥具有以下功能:①测量桥可在16m纵向范围内自由移动并自动定位，导轨与测量桥机械误差小于2mm，满足高精度砂体形态检测的要求；②在测量桥的一端设置控制台，控制测量桥的自动定位和检测；③在测量桥上设置一套CCD激光光栅检测系统，整个系统可水平移动6m进行叠加检测，提高测量精度；④在桥的中部设置探测小车，可在6m跨度内移动，扫描砂体沉积过程。
3.中国尤氏大学(华东)沉积学水槽实验室简介
断陷盆地是中国东部中、新生代以来形成的典型陆内裂谷盆地，蕴藏着丰富的油气资源。随着油气勘探重点向地层和岩性油气藏的转移，断陷盆地中的浊积砂体也成为隐蔽油气藏勘探的重要领域。但断陷盆地浊积砂体的形成和分布受多种因素影响，形成过程具有突发性，因此对浊积砂体的认识还停留在通过地震和钻井资料进行定性分析的阶段，对其成因和动力学机制的认识还不深刻，也没有有效的预测方法。物理沉积模拟可以再现浊积砂体的形成过程、发展和演化规律，从而建立流体流动模型，预测砂体的形态和分布规律，探讨浊积砂体的控制因素。中国尤氏大学(华东)沉积学水槽实验室就是在这一前提下成立的。
中国尤氏大学(华东)沉积学水槽实验室成立于2002年。它由三部分组成:实验水槽、砂箱和内置底部模板。经过多次改造，成功地进行了三角洲前缘陡坡砾石岩体、扇三角洲、滑塌浊积岩和地震浊积岩的实验模拟。实验水槽内壁长5m，宽2m，高1m。长轴侧墙采用玻璃材质，便于观察和摄影。短轴侧壁和底面均为25厘米厚的水泥墙。整个水槽放置在40厘米高的基座上。短轴侧壁的一端设有进水口，另一端设有出水口。进水口外接加砂罐，泥沙和水从加砂罐同时注入水箱。水槽内放置一个可移动的金属支架，支架表面铺上铁板，模拟原始的底部形状，通过抬起控制杆可以调节底部形状的斜度。在支架上固定一根金属管作为震源的触发点，用外力敲击金属管来模拟振动的发生(图10-1，图10-2)。
图10-1水槽模拟实验装置断面图(单位:cm)
(3)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和趋势，可以概括为以下五个方面。
1.物理模拟和数值模拟的日益结合
经过一个世纪的发展，沉积模拟研究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仿真研究上。随着计算机在地学中的广泛应用，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，并与物理模拟日益渗透，两者相辅相成，相互依赖，相互促进。碎屑沉积过程的物理模拟和数值模拟的多层次结合是沉积模拟技术的一个重要发展方向。通过物理仿真和数值仿真的结合，数值仿真的研究可以摆脱人为因素的干扰。物理模拟通过程可为计算机数值模拟提供定量参数，使数值模拟具有可靠的物理基础，更接近油田生产实际，从而更有效地指导油气勘探开发。
图10-2水槽模拟实验装置透视图(单位:cm)
数值模拟之所以逐渐发展成为沉积模拟技术的一个重要分支，是因为与物理模拟相比，数值模拟具有一些突出的优势，具体体现在以下四个方面。
1)数值模拟的所有条件都由数值给出，不受规模和实验条件的限制，井的边界条件等条件可以严格控制随时间变化；
2)数值模拟具有通用性，只要开发合适的应用软件，就可以应用于不同的实际问题，因此数值模拟具有效率高的特点；
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)随着电脑的快速升级，功能不断加强，成本不断降低，相对便宜。
2.为早期勘探中的储层预测提供了一种新方法。
在一个盆地或区块的勘探初期，钻井一般很少，评价井也很少，但往往有更详细的地震资料。通过地震资料的解释，可以确定盆地或区块的边界类型和条件以及沉积体系的类型。结合钻井资料，可以建立概念地质模型，提取主控因素，建立物理模型。在物理模型的指导下，可以进行物理模拟实验。利用物理模拟提供的参数可以开展数值模拟研究，从而准确预测沉积体系的分布规律和盆地内优质储层的分布，为勘探目标的选择提供依据。这是沉积模拟研究服务于油气勘探开发的一个重要方面，也是沉积模拟技术发展的一个重要趋势。
3.为开发后期描述砂岩非均质性提供一种新技术。
油田开发后期一般有很多静态和动态数据，可以利用丰富的油田开发生产数据建立精细地质模型，按砂层组或单砂层进行模拟实验，将实验结果与已有的静态和动态数据进行对比。如果实验结果与井点静动态资料反映的砂体特征高度吻合，则可以认为实验结果是可靠的。井点间原型砂体的特征可以通过井点对应的实验砂体(模型砂体)的特征来描述，从而定量预测井间储层的分布和非均质性以及剩余油的分布规律，这是沉积模拟技术发展的又一重要趋势。
4.结合水库建筑结构要素的分析方法。
储层构型要素分析方法的实质是储层的层次性，是成藏过程的重要特征，是地质现象的普遍规律。每个层次有两个元素，即层次接口和层次实体(林克祥等，1995)。沉积模拟实验的主要优点是可以按形成过程的时间单元详细描述这些界面的形态、起伏、连续性、分布范围和厚度变化，并与现代沉积和露头调查结果相印证，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及演化的地质规律，这是其他研究方法所不具备的。近年来，国内外一些文献都在尝试探索两者结合的可能性(Miall，1985，1988)，并取得了一些创新性成果，形成了沉积模拟技术发展的新趋势。
5.结合流动单元划分和高分辨率层序地层学研究。
油气田开发后期，研究剩余油分布规律的一个重要手段是重新划分和识别流动单元。在这个过程中，高分辨率层序的研究是基础，近年来沉积模拟技术在这项研究中也发挥了非常重要的作用。由于高分辨率层序地层学研究的关键是等时界面的精细划分，而沉积模拟技术具有这一优势，无论是物理模拟实验还是砂体形成过程的数值模拟研究，都可以提供任意阶段的时间界面、该时间段的储层分布和内部结构特征，同时指出下一时间段的储层演化趋势和发育特征。因此，沉积模拟技术与高分辨率层序地层学研究相结合，必将在细分流动单元和预测剩余油方面显示出强大的生命力。国内外许多学者正在以不同的方式开展这项工作，有理由相信这种方法将在未来几年发展成为预测剩余油分布的实用技术。
综上所述，进入21世纪后，除了保持其原有沉积学理论研究的优势外，主要发展趋势是与计算机等地质研究方法相结合，形成预测储层发育和演化趋势的综合实用技术。