X型正断层交汇处应力分布及其油气地质意义

2020-05-29高喜成孙同文平贵东

中国锰业 2020年2期

关键词：正断层应力场运移

高喜成，孙同文，平贵东，高鑫

(1. 东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318； 2. 广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名 525000)

0 前言

1 模型建立

1.1 X型正断层的形成机制

X型正断层又被称为共轭正断层，是一种发育于伸展变形区的断裂系统[14]。X型正断层在平面上由两组走向相同、倾向相反的断层组成，在剖面上表现为X型形态[15]。X型正断层产生于各级构造尺度环境，在野外露头及地震资料中较为常见(见图1)。在不同地质背景中，厘米至千米级别的X型正断层均有发育[16-19]。

根据前人的研究，深层或浅层X型正断层分支优先活动将可以形成多种形态基本X型断层组合形式(图2c～f)[14]。渤海湾盆地X型正断层的研究结果表明，一般有新生型和继承型两种类型[2]，其形成演化过程和控制机理不同。新生型X型正断层基本只由倾向相关的两条断裂组成，并且两条断裂都未断至基底，断距较小，整体形态简单，表现为单一、对称的X型结构，主要位于走滑断裂带附近，断层的滑动具有同步性(图2f)；而继承型X型正断层主要由一条或两条具有较大断距的断裂组成，断裂已断至基底，下部断层形态较简单，而上部发育多条断裂，其断距都较小，组合形成多种不同样式。其发育与基底断裂的复活或继承性活动有关，断层的滑动不具有同步性，而是具有先后顺序性(图2c、d、e)，即一条断层先于另一条断层形成，这也是本文建模的理论基础。

(a)野外露头显示的X型断层组合 (b)三维地震显示的X型断层组合

图1 X型正断层野外露头及地震剖面形态

(a)X型正断层形成前；(b) X型正断层形成初期；(c)底部断层优先活动；(d)顶部断层优先活动；(e)右侧断层优先活动；(f)不存在断层优先活动

1.2 X型正断层交汇处地应力场分布数值模拟

FLAC3D是一种利用有限差分方法为岩土工程提供直观有效分析的数值模拟软件，其采用显式算法来获得模型全部运动方程的时间步长解，可以追踪材料的渐进破坏，比较适合模拟地质构造中节理、断层和褶皱等的变形全过程。当岩体中出现断层、节理时，会出现不稳定及岩层错动的现象，该软件能较好地模拟材料在达到强度极限时发生的破坏或塑性流动，把岩石看作一个连续体，且能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性，允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。在该软件中断层的建模可采用两种方式，分别是弱化法和接触面法[20]，其中，采用接触法进行断层建模时操作简捷，效果显著。当建立接触面单元并指定摩擦力、内聚力、法向和剪切刚度以及抗拉强度特性后，可以动态分析一定受力条件下两个接触的表面上产生错动滑移、分开与闭合，在模拟大变形问题上有其与众不同之处。由于断层交汇处极易产生大变形滑动，因此，本次研究主要采用FLAC3D接触面法进行断层建模。

1.2.1 数值模型及基本假设

建立了下部砂岩储集层、上部泥岩盖层的地层组合以及两条断层交汇的数值模型，模型长200 m，高100 m，宽100 m，交汇处距离地表埋深750 m，一个500 m厚的泥岩层覆盖1 km厚的砂岩层。本次研究采用三维摩尔—库伦本构模型，使用FLAC3D内置网格建立模型，选取接触面模拟方法，即应用interface命令创建接触面，建立有限差分数值模型。模型底部固定，四周施加区域最小水平主应力和中间水平主应力σ3、σ2，顶部施加区域最大主应力σ1(见图3)。

图3 断层交汇数值模型及应力加载情况

为了研究两条断层相交角度θ的大小对交汇处应力分布的影响，分别建立θ为15(°)、30(°)、45(°)、60(°)、75(°)、90(°)共6个正断层交汇模型，不同夹角情况下断层倾向组合关系和对应数值模形见图4。

为了研究断层交汇处附近应力的分布，现做如下基本假设：①模型针对继承型X型正断层，断层的形成演化有先后顺序。假定主断层a为不变断层(其各参数固定不变)，其倾角为45(°)；断层b为变动断层，通过改变断层b与断层a的相交角度θ，分析对X型正断层附近地应力场的影响；②周围岩体为均匀各向同性材料；③断层为完全弹性材料；④断层处理为断层面；⑤边界应力为区域应力，作用方向垂直于边界；⑥本文对数值试验模型施加的初始应力场为构造应力场，而在研究构造应力场时，选取不同的侧压力系数λ施加即可。

1.2.2 模型的初始化边界条件及参数选取

对于构造应力场的施加包括两个方向的力：竖向地应力σv、水平向地应力σh。下面就这两个方向的地应力分别进行计算，并在计算模型上予以施加。

2）因为结果量少了，新生茎叶必然夏季生长特别旺盛，很容易出现徒长，形成超大且通透性很差的冠层，不但会导致病害加剧，还会抑制光合产物输送到粗根、主干等部位储存起来，不利于第2年树势恢复。这样一来，氮肥的施用还需慎重。

σv=γ·H

(1)

σh=λ·γ·H

(2)

(3)

式(1～3)中：σv为竖向地应力，MPa;σh为水平向地应力，MPa;γ为围岩的平均容重;H为埋深，m;

图4 不同交角的X型正断层数值模型

λ为侧压力系数，μ为围岩的泊松比(但λ可以根据实际条件可能小于或大于1)。

模型受到垂直于边界的区域应力场的作用，σ1为区域最大主应力，属于竖向地应力，σ1=-18 Mpa，σ2为区域中间水平主应力，λ=0.25，σ2=-4.5 Mpa，最小水平主应力σ3和中间水平主应力σ2相等且都属于水平向地应力；本次模拟采用摩尔—库伦模型，因此需确定模拟区岩体的容重、杨氏模量、泊松比、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角等参数。围岩及断层结构面力学参数设置参照表1[21]。

2 模拟结果及分析

在以上边界条件和岩石物理参数的约束下，获得两条断层夹角变化时交汇部位应力变化的模拟结果(见图5)，应力正负采用弹性理论规定，即张应力为正，压应力为负。

表1 围岩及断层结构面力学参数取值

图5 不同交角的X型正断层应力分布

1) 垂直应力分布特征：当θ为 15(°)、30(°)、45(°)时，断层交汇处中间存在一个非常明显的应力集中区且为挤压应力。应力集中程度一般用应力的最大值来衡量，在此范围内，随着断层交角的增大，应力集中程度逐渐增大；当θ为 60(°)、75(°)、90(°)时，应力集中区依然为挤压应力，但随着断层交角的增大，应力集中程度逐渐降低。

2) 水平应力分布特征：当θ为 15(°)、30(°)、45(°)时，断层交汇处也存在应力集中现象，且为拉张应力，随着断层交角的增大，应力集中程度增大，但整体应力集中的程度不是很高；当θ为 60(°)、75(°)、90(°)时，应力集中区依然主要为拉张应力，同时也出现挤压应力，但随着断层交角的增大，拉张应力集中程度逐渐降低，挤压应力集中程度几乎无变化。

综上可知：在断裂交汇部位垂直应力表现为挤压性质的力，不明显受相交角度变化的影响，而水平应力主要为拉张性质的力，当θ大于45(°)后出现挤压应力。此外，断裂交汇部位水平、垂直应力集中程度具有先增大后减小的变化规律，当相交角度为45(°)时，水平、垂直应力集中程度达到最大。水平应力呈现出缓慢增大、再缓慢降低(见图6a)，而垂直应力呈现出先缓慢增大、突然增大、再降低，最后缓慢降低的规律(见图6b)，并且垂直应力大小较水平应力明显大一个数量级。

图6 断裂交汇点水平、垂直应力集中程度与相交角度的关系

3 油气地质意义

地应力是作用于岩石骨架上的压力，油气的生成、运移和聚集是地下岩石与地下流体相互作用的复杂过程和结果。因此，地应力与油气生、运、聚的关系密不可分。综合数值模拟结果，断层交角为45(°)左右时的正断层交汇处是应力高度集中区，在油气生成过程中，释放大量应变能，为烃源岩成烃转化提供了能量；在地应力集结的过程中，由于地应力的增加，一方面使岩石物性发生改变，另一方面岩石骨架所承受的有效压应力或挤压应力部分地转移到孔隙流体使之产生异常高压，并在应力集结处形成高势区；在应力释放过程中，由于地应力降低部分岩石骨架回弹孔隙空间加大，流体压力相对降低并在应力释放处形成低势区。可见地应力的变化直接为油气运移提供了动力，且当地应力发生集结或张弛的变化时，为油气运移提供了通道。故在油气运移过程中，改变了岩石物性，裂缝发育，构成油气优势运移通道和增大运移量;在地应力的作用下，岩石发生的各种变形为油气的聚集提供了各类圈闭。在油气聚集过程中，油气往往富集于构造应力叠复强应变部位，断裂应变强度越高，油气富集程度一般越高。因此，在断陷盆地X型正断层区域的油气藏勘探过程中，断层交角为45(°)左右时最有利于油气的运移和聚集。