复合断层对地应力的影响研究

2019-01-16刘桂玲

复杂油气藏 2018年4期

倪伟，刘桂玲，林波

(中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院, 江苏扬州 225009)

通过对苏北盆地十多个油田模拟地应力大小和方向图资料进行分析，发现断裂带附近最大主应力具有较高的变化梯度，特别是在断裂构造走向发生转向或多条断裂交汇的部位。因此有必要开展断层对地应力的影响研究。江苏油田属复杂小断块油田，常见多条断层以各种方式的复合。本文仅研究平行、交叉两种复合断层对地应力的影响。

1 研究方法

采用有限元分析方法，在有限元分析时，为了忽略边界条件对研究区域的影响，往往把研究区域用较大的区域包围，在外围区域内进行有限元约束[1-3]。本文选用二维平面模型，为约束平面的刚性位移，约束选用一点全约束，另一点约束一个方向。区域宽度为断层长度的5倍，足以消除断层约束对断层周围地应力的影响。模型选用在外边界上加均布力，为简化外边界的应力边界条件，选择外边界的方向沿着区域主应力的方向[4-6]。

2 复合断层对地应力的影响

2.1 平行断层

平行断层是由若干条产状大致相同的正断层排列而成。模型中设置两条平行断层间距为水平断距的20倍，左侧断层的弹性模量比右侧断层的弹性模量小，即左侧断层比右侧断层破碎严重，区域最小主应力方向与断层走向夹角为15°。

模拟结果表明：左边断层端部和附近应力集中的程度和范围较右边断层大，应力方向变化的范围和幅度也较大。改变两条平行断层与区域最大水平主应力的夹角θ发现，当θ在45°时断层端部的应力集中程度达到最大，这与单条断层模拟的结论类似(见图1～图3)。

图1 平行断层最大主应力改变量等值线图

图2 平行断层最小主应力改变量等值线图

图3 平行断层最大主应力方向改变量等值线图

从图3可以看出，两断层之间且靠近断层中部的区域可以不考虑断层对主应力方向的影响。改变较大的为两断层端部，根据两断层之间的距离，重叠部分大小不同。可根据叠加原理，计算每一断层端部某点的应力状态，然后叠加两种应力状态，得到共同作用时的应力状态，再得到该点的最大、最小主应力大小和方向。

2.2 交叉断层

交叉断层模型的模拟结果表明：不仅在断层端部有应力集中，在断层的交汇处也出现应力集中现象，且应力集中范围明显变大，附近应力方向的变化也十分复杂。

运用大型有限元软件进行计算，获得分叉附近的最大和最小主应力云图。从云图可以看出，分叉对最大主应力的影响呈近似椭圆形状(见图4)，而分叉对最小主应力的影响成三叶草形状(见图5)。

图4 最大主应力云图

图5 最小主应力云图

根据断层交叉与最小主应力方向之间的关系，可以分成两种情况分别考虑：一种为交叉角中轴线沿最小主应力方向；另一种为交叉角中轴线沿最大主应力方向。

2.2.1 交叉角中轴线沿最小主应力方向

当交叉角中轴线沿最小主应力方向时，模拟研究断层夹角从10°到150°的地应力变化。从研究结果来看，地层附近最大主应力大小改变较大的区域是距交叉点2倍断距以内(见图6)，而地层附近最小主应力大小改变较大的区域是距交叉点1.5倍断距以内(见图7)。两断层的夹角是交叉附近区域地应力改变的重要影响因素，从图中曲线也可看出，随着断层夹角增大，断层交叉附近点主应力先减小后增大，最大、最小主应力的幅值分别为-10～6 MPa和-6～4 MPa。

从不同交叉角时交叉角附近地层最大主应力方向的影响结果(见图8)来看，主应力方向随交叉角的增加而顺时针先增加后减小，在夹角为50°和70°时，主应力方向改变最大；同时主应力方向的改变比主应力大小的改变大，其变化范围在区域主应力方向上偏差25°左右。

图6 不同交叉角时交叉角附近地层最大主应力改变值

图7 不同交叉角时交叉角附近地层最小主应力改变值

图8 不同交叉角时交叉角附近地层最大主应力方向

2.2.2 交叉角中轴线沿最大主应力方向

当交叉角中轴线沿最大主应力方向时，模拟研究断层夹角从10°到150°的地应力变化。从研究结果来看，地层附近最小主应力大小改变较大的区域是在1.5倍断距范围内(见图9)；而地层附近点最大主应力大小改变较大的区域是在1倍断距范围内(见图10)。从图中曲线也可以看出，随着断层夹角的增大，断层交叉附近点主应力大小先减小后增大，最大、最小主应力的幅值分别为-20～5 MPa和-2～5 MPa。