正断层泥岩涂抹连续性饱和水砂箱物理模拟

谢晓宁， 景紫岩， 孟令东， 冯 军， 唐海氢

( 1. 东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2. 东北石油大学 CNPC断裂控藏实验室，黑龙江 大庆 163318； 3. 中国石油勘探开发研究院 西北分院，甘肃 兰州 730000； 4. 中国石油华北油田分公司 第三采油厂，河北 河间 062450 )

0 引言

泥岩涂抹通常形成于正断层，是由层状沉积序列经历纯机械过程变形而形成的一种断层泥，泥岩涂抹连续性研究可以解决流体的跨断层流动问题[1]。脆—韧性构造域中，泥岩涂抹的连续性越好，封闭油气能力越强。影响泥岩涂抹连续性的因素包括黏土层厚度和断距、岩性、有效正应力和变形速率等[2]。对于相似岩性和应力条件下形成的泥岩涂抹，黏土层厚度与断距是重要的控制因素。有多种基于两个变量定义的泥岩涂抹连续性算法，如SSF(Shale Smear Factor，泥岩涂抹系数)、SGR(Shale Gouge Ratio，断层泥比率)、CSP(Clay Smear Potential，泥岩涂抹潜量)等[3-5]。SSF为黏土层断距与厚度之比，表征泥岩涂抹层分布的连续性，通常认为当SSF≤4时，泥岩涂抹是连续、封闭的，即在黏土层厚度较大或断距较小时，泥岩涂抹的连续性较好，易于封闭油气；当黏土层厚度较小或断距较大时，不易形成连续的泥岩涂抹，难以封闭油气[6]。

对于实际地质数据，物理模拟具有易于控制变量和获得数据等优点。在野外勘测与地震勘探中，不可能观察到断层完整的形成演化过程，并且各类泥岩涂抹连续性算法难以与泥岩涂抹的厚度形成定量对应关系，因此，有必要开展物理模拟实验，研究泥岩涂抹连续性。泥岩涂抹的物理模拟方法主要有砂箱、直接剪切、环形剪切和三轴剪切实验。其中，直接剪切、环形剪切和三轴剪切实验虽然考虑断层正压力的影响，但是在限定的一个断层面下完成，断层的分布受到限制[7-10]；砂箱实验弥补其他方法中断层分布受限的缺点，可以更真实地反映断层形成演化过程。为恢复和分析泥岩涂抹的变形过程，并合理模拟砂泥层实际的能干性差异及地层水压力，泥岩涂抹的砂箱实验多在水饱和条件下进行，运用PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)技术分析变形全过程[11-14]。

目前，中国的有关研究通常是在非饱和水砂箱中完成砂箱物理模拟实验，不能反映实际地质条件下的砂和黏土之间的能干性差异，因此采取饱和水砂箱完成实验。文献[12-15]仅考虑同一种黏土随断距和厚度的变化是否保持连续性，未以统计泥岩涂抹层厚度的形式，研究连续性随黏土层厚度和断距的变化趋势。笔者使用最小涂抹厚度表征泥岩涂抹的连续性方法，统计连续性随SSF的变化关系，研究脆—韧性构造域泥岩涂抹的连续性变化规律。

1 实验装置及方案

1.1 装置

图1 断层带内部结构与形成演化模拟装置

Fig.1 Internal structure and evolution of fault zone modeling apparatus

采用断层带内部结构与形成演化模拟装置(见图1)，主要包括控制和实验部分。其中，控制部分采用计算机控制软件，设定实验变形方向、速度和断距等参数；实验部分分为内箱和外箱，内箱用铺设模型并通过传动杆带动变形，外箱实现模型的水饱和，内箱正面与外箱玻璃面板贴合，成为实验观察窗，拍摄并留下实验图像记录，用于变形过程的PIV分析和数据统计。实验参数：最大断距为6.50 cm；变形速率为0.60 mm/min；内箱尺寸为56.00 cm×18.00 cm×48.00 cm；断层倾角为60°。

1.2 材料

砂材料为40～70目白色白刚玉，水饱和后的密度为1.881×103kg/m3，水饱和后的内摩擦角为36.56°，属于脆性较强的砂质材料；黏土材料为质量分数为70%的黄陶土与质量分数为30%的白刚玉的混合物，根据GB/T 50123—1999《土工实验方法标准》，使用液塑限测定仪、烘干式含水率测定仪等进行参数测定[16-17]，在饱和水砂箱中的含水率约为29%，含水率低于材料液限，呈现完全的塑性。

1.3 方案

为研究脆—韧性构造域泥岩涂抹的形成演化过程，分析黏土层厚度和断距对泥岩涂抹连续性的影响，在模型设计时注重几何学相似的恢复，在模型底部设置一条基底断层，在模型顶部加设顶板，得到一上一下两条60°先导断层，实验变形主要集中在60°方向。以源于钻井资料的经典泥岩涂抹剖面[18]作为自然原型，进行等比例缩放，设计实验的基础模型。

共设计1个无黏土层对照实验模型(对照实验)，以及不同黏土层厚度的2个实验模型(泥岩涂抹实验)进行匀速变形实验(见图2)。为使同一实验的不同地层、不同实验的地层及同一实验不同时期之间的地层相互对照，在2个泥岩涂抹实验模型中将砂泥互层段设置为3层黏土与2层砂交错出现，在对照实验中将砂泥互层段设置为纯砂层。

图2 实验方案设计Fig.2 Design of experimental models

为控制无关变量，3个模型的总高度(35.50 cm)、砂泥互层段厚度(6.50 cm)、匀速变形速率(0.60 mm/min)、最大断距(6.50 cm)相同，且全部覆盖4.00 cm厚度的亚克力板，亚克力板的上盘受到400 N的铁板的压力作用，作为顶板断层，限制断层分布范围。3个模型的区别在于，无黏土层对照实验(见图2(a))中，砂泥互层段为6.50 cm砂层，无黏土层；薄黏土层实验(见图2(b))中，砂泥互层段的各黏土层厚度约为0.80 cm，各砂层厚度约为2.00 cm；厚黏土层实验(见图2(c))中，砂泥互层段的各黏土层厚度约为1.50 cm，各砂层厚度约为1.00 cm。

为分析泥岩涂抹的形成演化过程，研究在断距不同、厚度相同或断距相同、厚度不同的情况下泥岩涂抹的连续性，2个泥岩涂抹实验中，对2种厚度的6个黏土层及其形成的各条断层进行统计。

1.4 PIV技术

PIV技术作为一种非接触式的光学测量技术，广泛应用于各类构造物理模拟实验[19-23]。它运用计算机软件，把图像分割为若干块“判读区(interrogation window)”进行图像处理，判读区的大小决定PIV处理的精度，每一个判读区的大小通常为几粒石英砂，识别同一个判读区在不同图片中的位置变化，可以测算并显示速度场、位移场和涡度等信息。对所有判读区进行判定和统计，即可得到整个速度矢量场。计算具有一定时间间隔的照片上颗粒的瞬时平均速度，可获得不同时刻颗粒运动的二维矢量场。

运用MATLAB软件中的PIVlab插件，对实验采集的影像(每隔30 s采集一次)进行处理，分别得到实验的速度场图像(见图3(a-d)、图4(a-d)、图5(a-c))。为便于描述，采用位移场的垂直分量(见图3(e-h)、图4(e-h)、图5(d-f))反映不同图像位置的垂向断距。不同的色标代表断距相对大小，冷色调(蓝色、绿色)代表小断距，暖色调(黄色、红色)代表大断距，即图像颜色从冷色调向暖色调过渡，代表断距越来越大。上下盘之间的明显色差反映断层位置。

2 实验结果

分别对3个实验进行全程摄像记录，对图像逐张进行灰度处理，运用PIV技术，分别得到无黏土层对照实验、薄黏土层实验和厚黏土层实验结果(见图3-5)。由于每个实验形成演化过程各不相同，为便于描述，根据位移量的大小和变形特征的变化，将各实验的变形分为3～4个阶段。

2.1 无黏土层对照

断层变形初期(见图3(a))，基底断层断距为0～0.84 cm。由于位移量较小，错动不明显，标志层几乎没有发生变形。由图3(e)可见，在基底断层上部形成一条80°左右的初期逆断层和一条80°左右的初期正断层，但是断层的集中程度不高。两条断层之间所夹断块清晰可见。

断层变形前期(见图3(b、f))，基底断层断距为0.84～1.68 cm。随位移增大，两条断层沿其所夹断块方向传播，倾向变陡且逐渐趋向重合，形成底部先导断层。

断层变形中期(见图3(c、g))，基底断层断距为1.68～3.84 cm。标志层发生明显的位移变化，且靠近顶部的部分变形较为分散，靠近底部的部分变形较为集中。初期正断层和初期逆断层合为一条基底先导断层，并沿下盘方向传播。顶板断层处形成一条60°左右的顶板先导断层。

断层变形后期(见图3(d、h))，基底断层断距为3.84～6.50 cm。基底先导断层与顶板先导断层继续向下盘方向传播，并在顶板断层、基底断层连线方向合为一条60°左右的断层，且断层两侧位移量差距明显。

2.2 薄黏土层

断层变形初期(见图4(a))，基底断距为0～1.20 cm。由于断层错动甚微，在变形图像的砂泥岩序列中几乎没有发生变化。由图4(e)可见，在基底断层的上部可见一条近于直立的底部先导断层，在顶板断层的下方也发育一条与顶板断层产状相近的顶部先导断层，两条顶板断层同时发育，但强度较小，应变分布相对分散。

图3 无黏土层对照实验结果Fig.3 Results of non-clay layer comparison experiments

断层变形前期，基底断距为1.20～2.40 cm(见图4(b))，先导断层沿基底断层和顶板断层连线方向传播，到达断层的优势方向，断层在模型中的分布均匀且集中。断层活动产生的剪应变超过材料的抗剪强度，砂泥层受剪切变形而发生错动，砂泥层的厚度在剪应变集中带中略有减薄。由图4(f)可见，这一阶段图像两盘间的位移差异清晰可见，其中上、中、下各段变形均匀，各段位移几乎相同，但上盘底部区域的位移量略大于中部和上部区域的，表明在基底断层附近的断层相对略微集中。

断层变形中期，基底断距为2.40～4.20 cm(见图4(c、g))，断层继续沿先前的方向运动，致使原有的泥岩涂抹被拉长，黏土层即将发生对接。断层活动主要集中于砂泥互层段，且形成的断层倾角陡峻，与上一阶段相比，断层在砂泥互层的顶部更为活跃，在最上层黏土层出现两条断层共同作用的现象，在同一涂抹面的不同位置表现为不同的断层倾角。

断层变形后期，基底断距为4.20～6.50 cm(见图4(d、h))，在原活跃断层的左侧又形成一条新的断层，且新断层没有断穿所有的黏土层，在砂泥互层段的底部发育，只在下方的两个黏土层有少量断距显示，第三层黏土层的断距要略高于第二层黏土层的。原有断层依然保持活动，断距比上一阶段有所增大，不同黏土层发生对接，而砂层发生完全的错断。

图4 薄黏土层实验结果Fig.4 Results of thin clay layer experiments

2.3 厚黏土层

断层变形初期，基底断距为0～0.36 cm(见图5(a))，先形成两条先导断层，分别位于基底断层、顶板断层连线方向的两侧。由于变形的动力来源于底部，因此底部的先导断层相对顶部的先导断层更长。由图5(d)可见，在两条先导断层之间存在一个形状为平行四边形的位移区域。位移量很小，若用肉眼观察，则难以见到明显的砂层和黏土层变形。

断层变形前中期，基底断距为0.36～3.24 cm(见图5(b))，随位移的增大，原有的两条先导断层离开原来位置，逐渐沿位移优势方向——顶板断层和基底断层连线方向传播，断层带基本合为一条且完全集中在基底断层的上盘。上盘各部分的位移量基本相同，应变在实验模型的上、中、下各部分分布均匀，断层分布集中(见图5(e))。砂泥互层中的黏土层沿断层带被拉长，形成陡而薄的泥岩涂抹，黏土层间即将发生对接，而砂层的涂抹作用不明显。

图5 厚黏土层实验结果Fig.5 Results of thick clay layer experiments

断层变形中后期，断距为3.24～6.50 cm(见图5(c))，先前泥岩涂抹的各层泥岩完成对接，在两个断面拖曳形成的泥岩涂抹之间，砂层被完全错断，形成砂质透镜体。断层进一步沿基底断层与顶板断层连线方向传播，在原来断层右侧又形成新的断面。由图5(f)可见，新断面活动，但难以辨别原来断层面是否活动；两条断层同时活动，一条沿顶层泥岩层分布，另一条沿右侧断层面分布，其中在顶部泥岩层处应变相比右侧断层面处的更强。

3 断层演化过程

3.1 无黏土层对照实验

由无黏土层对照实验结果(见图3)可见，当断距较小时(变形初期和前期)，难以用肉眼辨别标志层的形变及断层的位置。在图像PIV分析结果的辅助下可见，变形初期，先形成较陡的初期逆断层和初期正断层，之后两条断层逐渐趋近，并沿下盘方向传播。变形前期和中期，又在基底断层之上形成一条基底先导断层，并在顶板断层之下形成一条顶板先导断层；变形后期，随基底断层的活动，断层逐渐沿顶板断层和基底断层连线方向传播，断层倾角逐渐接近基底断层倾角(60°)，黏土层发生明显的形变。在顶板断层和基底断层连线方向形成统一的滑动面。

3.2 泥岩涂抹实验

在两次不同黏土层厚度的泥岩涂抹实验结果(见图4-5)中，实验初期，形成位于基底断层之上的基底先导断层和位于顶板之下的顶板先导断层，形成时期比无黏土层对照实验的早；实验中后期，泥岩涂抹断层形成过程与无黏土层对照实验的相似，随基底断层的活动，所有实验断层逐渐沿顶板断层和基底断层连线方向传播，断层倾角逐渐接近基底断层倾角(60°)，黏土层发生明显的形变。在顶板断层和基底断层连线方向也形成统一的滑动面。

实验模型中是否存在黏土层影响断层的形成演化过程。无黏土层对照实验中，先形成直通模型顶部的初期逆断层和初期正断层，然后形成基底先导断层和顶板先导断层，最终形成连续的一条断层；泥岩涂抹实验中，无初期断层形成，直接形成基底先导断层和顶板先导断层，最终形成连续的一条断层。

实验中形成的多条断层是砂箱的边界条件影响所致，而非自然界地层具有的特性，在解释泥岩涂抹的形成演化过程时，需要排除这一因素的影响。在饱和水砂箱物理模拟实验边界条件下，无黏土层对照实验的断层的形成演化过程模式见图6(a)，泥岩涂抹实验的断层的形成演化过程模式见图6(b)。

图6 砂箱物理模拟实验断层演化模式Fig.6 Fault evolution pattern of sandbox analogue modeling

4 泥岩涂抹形成演化过程

LINDSAY N G等[24]通过野外露头观察认为，泥岩涂抹主要有研磨型(abrasion smear)、剪切型(shear smear)和注入型(injection smear)。由于实验选取的软沉积物呈现较强的塑性流动特征，且砂层能干性强于黏土层的，实验形成的泥岩涂抹的类型属于剪切型。

根据断层的形成演化过程，排除砂箱本身边界条件的影响，概括软沉积物中单一断层中的泥岩涂抹形成演化过程(见图7)：变形早期，断距较小，原本呈水平的黏土层在底部小断层的作用下发生轻微旋转，下盘黏土层位置不变，上盘地层明显倾斜，黏土层厚度几乎不发生变化；随后，在多个断层的共同作用下发生弯曲，形成牵引构造，黏土层发生明显的位移和厚度变化，但未被完全错断，黏土层作为盖层封闭油气；最后，随位移的继续增加，沿正断层形成连续、具有封闭性的泥岩涂抹，且受剪切作用影响，泥岩涂抹厚度分布总体呈现靠近原岩层处相对较厚、靠近涂抹中心处相对较薄的特征。

在泥岩涂抹形成后，如果进一步增大断距，受剪切作用影响，则泥岩涂抹进一步变薄，黏土层连续性逐渐变差，直至超过泥岩涂抹破坏的临界值，泥岩涂抹失去连续性，进而失去对油气的封闭性。

使用CorelDraw软件，对两个实验全体单层泥岩涂抹数据进行统计(见图8)，即每组泥岩涂抹数据包括黏土层厚度、断距，以及对应的泥岩涂抹区域的最小泥岩涂抹厚度(泥岩涂抹层在水平方向的视厚度最薄处)。其中，断距与黏土层厚度之比为泥岩涂抹因数SSF，反映黏土层厚度和断距的变化；最小泥岩涂抹厚度代表泥岩涂抹的连续性。

图7 实验泥岩涂抹形成演化过程Fig.7 Evolution process of clay smear in experiments

通过控制变量方式，在2个不同厚度黏土层实验及6个黏土层在断层的不同阶段、不同断距条件下，分析SSF对最小泥岩涂抹厚度的影响，即对泥岩涂抹连续性的影响(见图9)。根据SSF定义(断距与黏土层厚度之比)，当厚度为1时，SSF代表单位厚度下的断距大小，即断距与最小涂抹厚度之间呈反比例关系。随断距的增大，泥岩涂抹的连续性变差，变化速度在断距较小时相对更快，在断距较大时相对较慢。当断距为1、只考虑厚度因素时，黏土层厚度与最小涂抹厚度之间近似呈线性关系，黏土层厚度越大，泥岩涂抹连续性越好。

5 结论

(1)在无黏土对照实验中，先形成初期逆断层和初期正断层，而后在顶板、基底各自形成较陡的先导断层，随断距的增大，先导断层沿顶板断层和基底断层连线方向传播，最终与中央的优势运动方向——顶底板断层连线方向一致。在泥岩涂抹实验中，在顶板、基底各自形成较陡的先导断层，其中基底处的先导断层更陡，随断距的增大，沿连线方向传播，最终与中央的优势运动方向——顶底板断层连线方向一致。

(2)排除边界条件影响，黏土层最先经受轻微旋转；而后，随断距的增大，黏土层尚未错断，可作为盖层封闭油气；最后受剪切作用影响，黏土层在断层带中形成连续的泥岩涂抹。

(3)黏土层厚度、断距影响泥岩涂抹的连续性。泥岩涂抹因数与泥岩涂抹连续性之间呈近似反比例关系，黏土层厚度越大、断距越小，形成的泥岩涂抹连续性越好。