沁水盆地南部高角度正断层区应力莫尔圆及包络线分析

白耀文，李春生，尹 帅

（1．延长油田股份有限公司定边采油厂，陕西榆林 718600；2．西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065）

利用地质力学手段来进行野外地质体受力解剖是构造分析的重要研究方法。两亿年来，各大陆海岸线轮廓变化不大，且可实现较好的拼接，因而刚性静力学分析学者认为，岩石圈为刚性块体，不发生应变[1]。但实际上，地壳表层岩石会不断发生变形，此与岩石应变时间的累积、岩石的流变性及地球自转的离心力等因素有关[1-2]。破裂和变形是地质体多彩的构造形迹的主要受力体现，同时也是构造分析的重要研究内容[1-2]。应力莫尔圆主要基于力学及几何学原理，可以实现对岩体内部不同方向及弱面的应力关系的解剖，被广泛应用于不同构造区的应力解析中[3-4]。受主断裂的影响，对于断裂发育的地区地层岩石中通常发育一系列伴生小断层及裂缝，岩石的莫尔圆及包络线均会呈现不同的变化规律[5]。明确这些变化规律对提高油气钻探效率、节省钻探成本及降低断裂带钻探风险等方面均具有重要的价值[6]。因此，本文以沁水盆地南部上古生界地层为解剖对象，该目的层具有较大的致密砂岩气勘探潜力，但目前研究程度尚浅[7]。该区上古生界地层中高角度及近垂直正断层极为发育，通过设计三轴应力测试实验，对高角度正断层区进行了应力莫尔圆及包络线分析，研究成果可以为致密砂岩气勘探开发提供依据。

1 研究区概况及实验测试

1.1 研究区概况

研究区位于沁水盆地南部，包括郑庄区块、樊庄区块和潘庄区块。其目的层为上古生界石炭—二叠系，石炭系地层平均厚度约200 m，二叠系地层平均厚度约800 m，上覆地层为三叠系及第四系，三叠系地层平均厚度约 250 m，第四系地层平均厚度约50 m。石炭—二叠系岩性主要为碎屑岩、灰岩及多层煤[8]。根据最新地震资料解释，认为区内主要发育一些高角度及近垂直的正断层，以NE和NNE向为主，少量断层方向为NW及NWW，断距较小，延伸较短。总体上地势东南高，西北低，地垒和地堑相间分布。

1.2 三轴实验测试

三轴实验测试样品为沁水盆地南部地区二叠系山西组致密砂岩，埋深610 m。样品尺寸为25×50 mm，饱和地层盐水。实验测试为YMW-1000程控伺服岩石刚性试验机，压力传感器测量误差小于1%，位移分辨精度0.000 1 mm。对4组结构完整的岩样分别进行了围压为5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa的应力测试，编号分别为Q1、Q2、Q3及Q4，分析其有效正应力与剪应力间的关系（图1），随着加载围压的增加，应力莫尔圆逐渐向右迁移和扩张，进而可确定出相应包络线，通过包络线确定了该岩样的内摩擦角(φ)为46.37°。

图1 完整岩样有效正应力与剪应力关系

2 结果分析

2.1 不同断裂带应力包络线分析

分析了不同类型断裂带岩石有效正应力与剪应力间的关系，θ1为正断层断面倾角，θ2为断层薄弱带的倾角，如图2所示。对于地层条件下正断层区的莫尔圆，受断层带断面或伴生裂缝的影响，随着σn的增加，τ出现大幅度降低，表现为莫尔圆会向左发生移动，同时，莫尔圆的半径逐渐减小[9]。根据莫尔圆与拟合获得的包络线间的交点可以确定θ1（图2），θ1值较大，这与该地区上古生界地层广泛发育高角度及近垂直的正断层结果是一致的。该地区存在一系列不同尺度正断层，当这些正断层所受应力机制完全相同时，θ1值是不变的，表现为共用同一条包络线（图3）。因此，在同一应力机制作用下，该地区断层由深到浅的产状变化不大。

图2 不同断裂带岩石有效正应力与剪应力关系

此外，该地区上古生界地层中还存在一些断层薄弱带，为高角度正断层产生过程中的次级小断层或裂缝发育带。这些薄弱带可以在观察岩心过程中容易识别出来，通常为“破碎带”。观察岩心结果表明，破碎带的成层性分布角度通常小于30°。从应力加载曲线图中也可以对这些薄弱带进行定量表征（图2），主要表现为随着σn的增加，τ急剧降低，地层岩石抗剪切破裂的能力非常低，此时岩石θ2值较低，与岩心观察结果一致。

图3 正断层盘岩石有效正应力与剪应力关系

2.2 断层角度对应力包络线的影响

该地区整体以高角度及近垂直的正断层为主，但不同角度的正断层仍具有差异，考虑角度变化时，地层岩石应力莫尔圆变化如图4所示。对于同一条包络线，岩石发生破裂的强度是不变的。当原始正断层区莫尔圆（a）向左移动时，莫尔圆半径不变，但θa值明显大于θ1值，此时岩石抗剪切破裂的能力明显提高；当原始莫尔圆（a）向右移动时，莫尔圆半径不变，θb值要小于θ1值，此时岩石抗剪切破裂的能力明显降低。该研究说明，当正断层盘的角度逐渐增加时，岩石抗剪切破裂的能力不但没有降低，反而提高了，这与前人对含有不同方向弱面岩石所进行的岩石力学实验结果较为一致[10-12]。当岩样中弱面约为30°时，岩石强度最低；随着角度的增加，岩石强度不断增加，当约为90°时，岩石强度达最大值[10-12]。

图4 正断层盘莫尔圆移动与岩石破裂关系

本文未对该区高角度正断层的形成及演化机制进行分析，主要由于该区正断层的形成始于燕山期，上古生界地层最大埋深通常大于3 000 m[13]，具有复杂的古应力环境，断层的形成机制极为复杂。因此，本文仅对该区目前断裂带的实际情况进行了应力莫尔圆及包络线研究分析，该研究对提高油气钻探效率、节省钻探成本及降低断裂带钻探风险具有一定参考价值。

3 结论

（1）沁水盆地南部上古生界地层高角度及近垂直正断层极为发育。应力莫尔圆及包络线分析结果表明，与远离断层的结构完整岩石相比，正断层区的莫尔圆会向左移动，同时半径减小，其断面倾角(θ1)较大，与该区上古生界地层广泛发育高角度及近垂直正断层结果一致。

（2）对于同一应力机制条件下的正断层，θ1值不随深度变化而发生变化，因此该地区深、浅部正断层产状变化不大。

（3）断层薄弱带为高角度正断层产生过程中形成的一些次级小断层或裂缝发育带，岩心观察表现为破碎带，其成层性分布角度通常小于30°，其与莫尔圆中较低的断层薄弱带倾角(θ2)一致。

（4）随着正断层断面倾角的增加，地层岩石的抗剪切破裂的强度逐渐提高。