基于构造应力场数值模拟的复杂断块油藏低级序断层预测——以南堡凹陷M区为例

商琳，刘晓涵，吴海涛，马晓丽，邹娟

(1.中国石油冀东油田公司勘探开发研究院，河北唐山 063004; 2.中国地质大学(武汉)资源学院，武汉 430074)

基于构造应力场数值模拟的复杂断块油藏低级序断层预测
——以南堡凹陷M区为例

商琳1，刘晓涵2，吴海涛1，马晓丽1，邹娟1

(1.中国石油冀东油田公司勘探开发研究院，河北唐山 063004; 2.中国地质大学(武汉)资源学院，武汉 430074)

针对低级序断层地震资料的多解性，通过构造解析，在确定低级序断层发育时期和构造背景的基础上，对南堡凹陷M区馆陶期构造应力场进行了数值模拟;并以岩石破裂准则为依据，用最小主应力解释了低级序断层的优势发育地区，用平面剪应力解释了低级序断层的优势走向，用剖面剪应力解释了低级序断层的优势视倾向，预测了低级序断层的发育规律。研究结果表明，南堡凹陷M区三级断层活动具有明显的分段性和分期性特点;在区域性南北向拉张和火山喷发造成的局部拱升的共同作用下，研究区中部为东一段低级序断层发育的优势区，发育近北西走向和近北东走向两组低级序断层，东部主要发育一组近北东走向的低级序断层，西部主要发育一组近北西走向低级序断层，断层视倾向以北倾为主。

构造应力场;复杂断块;低级序断层;南堡凹陷

0 引言

南堡凹陷断层组合样式多样，应力场多变，属于典型的复杂断块油田。低级序断层的精细识别对南堡油田精细开发至关重要，但南堡油田现有地震资料品质低，地震识别低级序断层的难度大。加强地质预测研究，指导地震解释是提高低级序断层识别能力的有效途径［1］。地震、测井、重力等方法在断层识别方面存在多解性，对微小断层识别存在一定困难，多限于解释断层的平面展布，而且无法从动力学机制上解释断层。长期以来由于对南堡凹陷内部断层的形成时期及发育历史认识不清，直接影响了含油断块的落实程度。断裂构造的破裂和活动方向受形成该破裂时的构造应力场的制约，因此通过应力场模拟可以弥补上述缺陷，进而从动力学机制上解释低级序断层的发育、空间展布特征。

构造应力场数值模拟方法在建立地质模型的基础上，用有限元法计算各点的最大主应力、最小主应力和剪应力以及各点的主应力方向与剪应力方向［2］，根据岩石的破裂准则预测低级序断层的有利发育区和优势走向。本文以南堡凹陷M区东一段为例，对低级序断层主要发育期构造应力场进行了数值模拟，以明确断层的成因机制，预测低级序断层的发育规律，用于指导低级序断层的构造解释。

1 研究区地质概况

南堡M区位于南堡构造带西部，为奥陶系潜山基底上发育起来的背斜构造，被北东向南堡A断层及多条近东西向断层切割。南堡A断层平面上呈“帚状”，上升盘为较简单的鼻状构造，倾向北西;下降盘构造较为复杂，地层以东倾为主，被北东向、近东西向两组断层切割。南堡M区位于南堡A断层的下降盘，为一个相对独立的构造单元，是一个被断层复杂化的背斜构造［3～4］。本文为了明确南堡M区构造成因，根据断层生长指数，分析了南堡M区主要断层的活动特征，包括南堡A断层以及F1—F5断层(见图1)。其中南堡A断层为控制整个南堡M区的一条二级断层;F1—F5断层为分割断块区的断层，属于三级断层。

图1 南堡M区东一段断层分布图Fig.1 Fault distribution of E d1in M area of Nanpu sag

2 断层特征及演化

2.1 南堡A断层

南堡A断层是南堡M区的主控断层，是南堡凹陷内主要的二级断层，控制了南堡M区的形成和演化。断层走向近北东，延伸21.8 km，倾向南东，倾角70°—80°;断层断至奥陶系潜山基底，馆陶组底界断距300～430 m，明化镇组底界断距大于200 m，断距自西南向北东方向逐渐减小。明化镇组、馆陶组和沙河街组沉积时期为南堡1号断层的主要活动时期，对沙河街组沉积具有明显的控制作用。南堡A断层还具有明显的右旋活动分量，是典型的张扭性断层［5］。

2.2 三级断层

由南堡M区主要断层活动性分析可知，南堡M区三级断层具有分段性和分期性特征，不同时期断层活动性差异明显，同一时期同一断层的不同部位活动性明显不同。以F1断层为例，F1断层为近东西走向，下部断至沙河街组，被F5断层所截。馆四段沉积时期F1断层开始发育，馆三段沉积时期断层活动性达到最强，馆二段、馆一段沉积时期断层活动性减弱，明化镇组沉积早中期又开始活动，明化镇组沉积末期活动性再次减弱(见图2a)。以inline869测线、inline973测线为界，根据其断距大小可以划分为西段、中段和东段(见图1)，中段断距大，向东西两端断距缩小。F2—F5断层具有相似的活动特征(见图2)，在此不另加论述。

图2 南堡M区三级断层活动强度图Fig.2 Activity of the third-order faults in M area of Nanpu sag

综合来看，南堡M区三级断层主要发育期为沙河街组沉积时期至东营组沉积早期，东营组沉积中晚期断层活动性减弱甚至基本停止活动;馆陶组沉积早期开始复活，馆三段沉积时期断层活动性达到最强，并派生大量低级序断层，馆陶组沉积晚期活动性逐渐减弱;明化镇组沉积早中期又复活，明化镇组沉积末期断层基本停止活动。

3 断层成因机制分析

各种地质构造的形成演化与岩石的力学性质和所处的应力状态是分不开的［6］。南堡A断层在区域应力场的控制下形成，南堡M区三级断层及低级序断层的形成演化必与南堡A断层控制下的局部应力场分布有着密切联系。通过构造解析认为东一段的低级序断层主要在馆陶组沉积时期发育，为确定东一段三级断层及低级序断层的成因机制与分布规律，就需要了解在南堡A断层先存条件下馆陶组沉积时期应力场分布特征，并根据岩石的破裂准则预测断层的发育规律。本文采用应力场数值模拟方法建立古地质模型，通过合理的约束及加载，模拟在南堡A断层存在的条件下南堡M区馆陶组沉积时期构造应力场的分布特征，从而对区内三级断层及低级序断层的形成给出一个合理的解释并进行预测。

3.1 应力场数值模拟

应力场模拟主要采用有限单元法，基本思路是将一个地质体离散成有限个连续的单元，单元之间以节点相连，每个单元内赋予其实际的岩石力学参数，根据边界受力条件和节点平衡条件，通过插值函数分别求出每个节点上的位移，进而计算每个单元内的应力和应变值［7］。

南堡M区在馆陶期处于拗陷阶段，主要受到近南北向拉张［5，8～9］，同时由于馆陶组沉积时期火山活动频繁［10～11］，对东一段存在局部拱升作用，由此认为断层发育的动力学机制为在南堡A断层先存基础上区域性南北向拉张和火山喷发造成局部拱升的共同作用。因此在模型南北边界施加拉张应力的同时，于东一段模型底部施加一定的上拱力。通过构造解析确定古应力场方向及断裂演化过程之后就可以创建地质模型［12～13］。由于南堡M区东一段厚度变化不大，因而可以将研究区简化为一平板模型，根据南堡A断层的形态建立断层模型。

根据断裂带与地层中岩石强度的差异，为应力场模拟的不同区块分别赋以不同的力学参数，参数大小的确定参照部分实验测试的结果(见表1)［14］。在建立地质模型及确定各项岩石力学参数的基础上，即可按照古应力场的方向对模型进行加载求解，通过反复加载以寻求变形结果最接近于现今构造的方式来确定古应力状态，模拟结果见图3—图5。

表1 南堡M区应力场数值模拟力学参数Table 1 Rock mechanical parameters of M area in Nanpu sag

3.2 古应力场控制下三级断层发育规律

根据南堡M区应力场数值模拟结果，分析三级断层的发育规律。岩石破裂的条件是岩石所受张应力超过其抗张强度或岩石所受剪应力超过其抗剪强度［15］，由此认为影响南堡M区三级断层发育的主要控制因素是最小主应力和剪应力，因而重点从最小主应力和剪应力的分布来探讨三级断层的成因。南堡M区最小主应力以张应力为主(正值代表张应力)，局部出现压应力，不同区域应力大小差异明显，呈不均匀分布，张应力高值区恰好对应着三级断层主要发育区(见图3)，表明最小主应力控制了三级断层发育的位置和密集程度。

南堡M区剪应力分布具有明显的分区性，南堡A断层南东盘以左旋剪应力为主(正值代表左旋)，而在M区东部远离南堡A断层区域以右旋剪应力为主。根据应变椭圆分析，在南北向拉张条件下容易产生图示两组剪切作用力，受剪应力作用形成了南堡M区的共轭断裂体系。其中，南堡A断层南东盘为左旋剪应力，在此剪应力作用下主要发育一组北西走向断层;东部远离南堡A断层区域为右旋剪应力，在此剪应力作用下主要发育一组北东走向断层;中部为剪应力分布的过渡区域，剪应力旋向变化较快，因此这一区域北西走向断层和北东走向断层发育程度相当(见图4)。这与南堡M区构造解释的三级断层平面展布规律基本一致，由此说明剪应力的分布控制着三级断层的平面展布规律。

图3 南堡M区最小主应力数值模拟结果Fig.3 Theminimum principal stress of M area in Nanpu sag

图4 南堡M区平面剪应力数值模拟结果Fig.4 The plane shear stress of M area in Nanpu sag

4 低级序断层发育规律预测

4.1 平面展布规律预测

图5 南堡M区剖面剪应力数值模拟结果Fig.5 The vertical shear stress of M area in Nanpu sag

根据格里菲斯破裂理论，当张应力超过岩石的抗张强度时，岩石就会张性破裂形成正断层，张应力越大，岩石的张性破裂程度越强，正断层的发育程度也越强［16］。南堡M区东一段在馆陶期最小主应力以张应力为主，具有形成正断层的应力条件。张应力高值区位于研究区中部，属于低级序断层的优势发育部位，向周围张应力数值减小，断层发育程度减弱。根据最小主应力分布特征将南堡M区低级序断层发育程度划分为4个等级(见图6)。受平面剪应力分布的控制，两组断层的发育程度通常不同，左旋平面剪应力环境中具有左旋性质的一组断层发育程度高，而在右旋平面剪应力环境中具右旋性质的一组断层发育程度高［17～18］。由此预测南堡A断层南东盘容易派生近北西走向低级序断层，东部主要发育近北东走向低级序断层，中部两组走向断层发育程度相当。

4.2 剖面发育规律预测

剖面上低级序断层发育规律的预测主要通过对剖面上剪应力的分布及剖面应变椭圆的分析来进行［19］。南堡M区南北向剖面剪应力主要为左旋(见图5，正值代表左旋)，根据剖面应变椭圆分析，该剪应力条件下主要发育视倾向为北倾的低级序断层，这与地震解释情况(见图7)一致。

综合最小主应力与剪应力的分析结果，南堡M区低级序断层发育的优势区域主要在中部，可以发育近北西走向和近北东走向两组低级序断层;东部主要发育一组近北东走向的低级序断层;西部靠近南堡A断层一侧主要发育一组近北西走向低级序断层。这些断层视倾向都以北倾为主，这与构造解析结果基本一致，说明馆陶期的最小主应力和剪应力共同控制了南堡M区东一段低级序断层的发育，可以将这一预测结果应用到低级序断层的地震解释中。

5 结论

南堡M区三级断层具有分段性和分期性特征，三级断层主要发育期为沙河街组沉积时期至东营组沉积早期，东营组沉积中晚期断层活动性减弱甚至基本停止活动，馆陶组沉积早期开始复活，馆三段沉积时期断层活动性达到最强，并派生大量低级序断层，馆陶组沉积晚期活动性逐渐减弱，明化镇沉积早中期又复活，明化镇组沉积末期断层基本停止活动。

图6 南堡M区东一段低级序断层发育程度预测图Fig.6 The lower order faults forecastmap of E d1in M area of Nanpu sag

图7 南堡M区inline849测线构造解释方案Fig.7 Structural interpretation scheme of inline849 in M area of Nanpu sag

南堡M区馆陶期最小主应力以张应力为主，局部出现压应力，不同区域应力大小差异明显，呈不均匀分布，张应力高值区位于中部，向两侧逐渐减小。南堡A断层南东盘以左旋剪应力为主，东部远离南堡A断层区域以右旋剪应力为主，中部剪应力旋向变化较快，为剪应力分布的过渡区域。

南堡M区东一段低级序断层的发育主要受控于最小主应力和剪应力的分布。在区域性南北向拉张与局部火山喷发造成的局部拱升的共同作用下，南堡M区低级序断层主要在中部发育，为近北西走向和近北东走向两组低级序断层，东部主要发育一组近北东走向的低级序断层，西部靠近南堡A断层一侧主要发育一组近北西走向低级序断层，断层视倾向以北倾为主。

［1］李阳．陆相水驱油藏剩余油富集区表征［M］．北京:石油工业出版社，2011:94～118.

LIYang．The characterization of the remaining oil enrichment zone in continental water drive reservoir［M］．Beijing: Petroleum Industry Press，2011:94～118.

［2］戴俊生，李理．油区构造分析［M］．东营:石油大学出版社，2002:115～118.

DAIJun-sheng，LILi．Oilfield structural analysis［M］．Dongying:Petroleum University Press，2002:115～118.

［3］中国石油冀东油田公司．南堡油田南堡M区东一段油藏滚动开发研究［R］．唐山:中国石油冀东油田公司，2009.

PetroChina Jidong Oilfied Company．Research on the rolling development of oil reservoir of Ed1 in M Area of Nanpu Oilfied［R］．Tangshan:PetroChina Jidong Oilfied Company，2009.

［4］中国石油冀东油田公司．南堡凹陷第三系断裂系统划分及输导和封闭性评价［R］．唐山:中国石油冀东油田公司，2011.

PetroChina Jidong Oilfied Company．Fault system division，transporting and sealing evaluation of E in Nanpu Sag［R］．Tangshan:PetroChina Jidong Oilfied Company，2011.

［5］童亨茂，赵宝银，曹哲，等．渤海湾盆地南堡凹陷断裂系统成因的构造解析［J］．地质学报，2013，87(11): 1647～1661.

TONG Heng-mao，ZHAO Bao-yin，CAO Zhe，etal．Structural Analysis of Faulting System Origin in the Nanpu Sag，Bohai Bay Basin［J］．ACTA Geologica sinica．2013，87(11):1647～1661.

［6］戴俊生．构造地质学及大地构造［M］．北京:石油工业出版社，2006:22～36.

DAIJun-sheng．Structural geology and tectonics［M］．Beijing:Petroleum Industry Press，2006:22～36.

［7］王红才，王薇，王连捷，等．油田三维构造应力场数值模拟与油气运移［J］．地球学报，2002，23(2):175～178.

WANG Hong-cai，WANGWei，WANG Lian-jie，et al．Three dimensional tectonic stress field and migration of oil and gas in Tanhai［J］．Acta Geoscientia Sinica，2002，23(2):175～178.

［8］周天伟，周建勋，董月霞，等．渤海湾盆地南堡凹陷新生代断裂系统形成机制［J］．中国石油大学学报:自然科学版，2009，33(1):12～17.

ZHOU Tian-wei，ZHOU Jian-xun，DONG Yue-xia，et al．Formation mechanism of Cenozoic fault system of Nanpu sag in Bohai Bay Basin［J］．Journal of China University of Petroleum:Natural Science Edition，2009，33(1):12～17.

［9］范柏江，刘成林，柳广弟，等．南堡凹陷断裂系统形成机制及构造演化研究［J］．西安石油大学学报:自然科学版，2010，25(2):13～17.

FAN Bai-jiang，LIU Cheng-lin，LIUGuang-di，etal．Formingmechanism of the fault system and structural evolution history of Nanpu Sag［J］．Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition，2010，25(2):13～17.

［10］董月霞，周海民，夏文臣．南堡凹陷火山活动与裂陷旋回［J］．石油与天然气地质，2000，21(4):304～307.

DONG Yue-xia，ZHOU Hai-min，XIAWen-chen．Volcanic activities and rift-subsidence cycles in nanpu sag［J］．Oil＆Gas Geology，2000，21(4):304～307.

［11］董月霞，夏文臣，周海民．南堡凹陷第三系火山岩演化序列研究［J］．石油勘探与开发，2003，30(2):24～26.

DONG Yue-xia，XIA Wen-chen，ZHOU Hai-min．Evolvement sequence of Tertiary volcanic rocks in the Nanpu sag，Eastern China［J］．Petroleum Exploration and Development，2003，30(2):24～26.

［12］张继标，戴俊生，王彤达，等．高邮凹陷南断阶西部断裂特征及其成因机制［J］．西安石油大学学报:自然科学版，2012，27(3):29～34.

ZHANG Ji-biao，DAIJun-sheng，WANG Tong-da，et al．Characteristics and genetic mechanism of the faults in the west of south fault terrace in Gaoyou Sag［J］．Journal of Xi’an Shiyou University:Natural Science Edition，2012，27(3):29～34.

［13］戴俊生，张继标，冯建伟，等．高邮凹陷真武断裂带西部低级序断层发育规律预测［J］．地质力学学报，2012，18(1):11～21.

DAIJun-sheng，ZHANG Ji-biao，FENG Jian-wei，et al．Development law and prediction of the lower-order faults in the west of Zhenwu fault zone in Gaoyou sag［J］．Journal of Geomechanics，2012，18(1):11～21.

［14］中国石油冀东油田分公司．南堡凹陷构造演化历史与裂缝发育分布［R］．唐山:中国石油冀东油田分公司，2014.

Petro China Jidong Oilfied Company．Tectonic evolution history and distribution of fractures in Nanpu Sag［R］．Tangshan: PetroChina Jidong Oilfied Company，2014.

［15］赵文．岩石力学［M］．长沙:中南大学出版社，2010:55～90.

ZHAOWen．Rock mechanics［M］．Changsha:Centra South University Press，2010:55～90.

［16］商琳，戴俊生，王彤达，等．基于新钻井对柴达木盆地东部石炭系分布及控制因素的再认识［J］．中国石油大学学报:自然科学版，2014，38(2):25～31.

SHANG Lin，DAI Jun-sheng，WANG Tong-da，et al．New study on Carboniferous stratigraphic distribution and controlling factors in the eastern Qaidam Basin based on new drilling data［J］．Journal of China University of Petroleum:Natural Science Edition，2014，38(2):25～31.

［17］Santanu M．Deformation localization at the tips of shear fractures:An analytical approach［J］．Tectonophysics，2011，503 (1):182～187.

［18］Kaus B J P．Factors that control the angle of shear bands in geodynamic numerical models of brittle deformation［J］．Tectonophysics，2010，484(1):36～47.

［19］王正荣．应变椭球体平面投影及在构造分析中的应用［J］．煤炭技术，2006，25(1):92～95.

WANG Zheng-rong．Plane projection of strain ellipsoid and its application in geologic structure analysis［J］．Coal Technology，2006，25(1):92～95．

FORECAST OF LOWER ORDER FAULTS IN COMPLEX FAULT BLOCK RESERVOIRS BY NUMERICAL SIMULATION OF TECTONIC STRESS FIELD:TAK ING M AREA IN NANPU SAG AS AN EXAMPLE

SHANG Lin1，LIU Xiao-han2，WU Hai-tao1，MA Xiao-li1，ZOU Juan1

(1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Jidong Oilfied Company，Tangshan 063004，Hebei，China; 2.School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

The tectonic stress field of Guantao formation is simulated based on the confirmation of development period and tectonic setting about lower order faults．According to the failure criterion of rock，the favorable development regions of the lower order faults are analyzed through theminor principal stress，the favorable directions are discussed by the plane shear stress，and the tendencies are analyzed by the vertical shear stress．The activity of the third faults in M Area of Nanpu Sag presents obvious segment and generation:Themiddle partof the above studied region is themain region of the lower order faults owing to the coefficient of the regional NSextension and the regional camber stress by paroxysmal eruption，the east part develops a set of nearly NE-trending lower fault，the west part develops a set of nearly NW-trending fault，and the apparent dip mainly presents north tendency．

tectonic stress field;complex fault block;lower order fault;Nanpu sag

P553

A

1006-6616(2016)02-0357-09

2015-12-04

中国石油冀东油田公司重大项目子课题“岩石力学特性与地应力特征研究”(KF2015A02-01)

商琳(1987-)，男，山东泰安人，博士，主要从事油气区构造、储层地应力及裂缝预测方面的研究工作。E-mail:shanglinsonny@163.com