X型正斷層交匯處應(yīng)力分布及其油氣地質(zhì)意義

高喜成，孫同文，平貴東，高 鑫

(1. 東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 廣東石油化工學(xué)院 石油工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 前 言

1 模型建立

1.1 X型正斷層的形成機(jī)制

X型正斷層又被稱為共軛正斷層，是一種發(fā)育于伸展變形區(qū)的斷裂系統(tǒng)[14]。X型正斷層在平面上由兩組走向相同、傾向相反的斷層組成，在剖面上表現(xiàn)為X型形態(tài)[15]。X型正斷層產(chǎn)生于各級構(gòu)造尺度環(huán)境，在野外露頭及地震資料中較為常見(見圖1)。在不同地質(zhì)背景中，厘米至千米級別的X型正斷層均有發(fā)育[16-19]。

根據(jù)前人的研究，深層或淺層X型正斷層分支優(yōu)先活動將可以形成多種形態(tài)基本X型斷層組合形式(圖2c～f)[14]。渤海灣盆地X型正斷層的研究結(jié)果表明，一般有新生型和繼承型兩種類型[2]，其形成演化過程和控制機(jī)理不同。新生型X型正斷層基本只由傾向相關(guān)的兩條斷裂組成，并且兩條斷裂都未斷至基底，斷距較小，整體形態(tài)簡單，表現(xiàn)為單一、對稱的X型結(jié)構(gòu)，主要位于走滑斷裂帶附近，斷層的滑動具有同步性(圖2f)；而繼承型X型正斷層主要由一條或兩條具有較大斷距的斷裂組成，斷裂已斷至基底，下部斷層形態(tài)較簡單，而上部發(fā)育多條斷裂，其斷距都較小，組合形成多種不同樣式。其發(fā)育與基底斷裂的復(fù)活或繼承性活動有關(guān)，斷層的滑動不具有同步性，而是具有先后順序性(圖2c、d、e)，即一條斷層先于另一條斷層形成，這也是本文建模的理論基礎(chǔ)。

(a)野外露頭顯示的X型斷層組合 (b)三維地震顯示的X型斷層組合

圖1 X型正斷層野外露頭及地震剖面形態(tài)

(a)X型正斷層形成前；(b) X型正斷層形成初期；(c)底部斷層優(yōu)先活動；(d)頂部斷層優(yōu)先活動；(e)右側(cè)斷層優(yōu)先活動；(f)不存在斷層優(yōu)先活動

1.2 X型正斷層交匯處地應(yīng)力場分布數(shù)值模擬

FLAC3D是一種利用有限差分方法為巖土工程提供直觀有效分析的數(shù)值模擬軟件，其采用顯式算法來獲得模型全部運動方程的時間步長解，可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞，比較適合模擬地質(zhì)構(gòu)造中節(jié)理、斷層和褶皺等的變形全過程。當(dāng)巖體中出現(xiàn)斷層、節(jié)理時，會出現(xiàn)不穩(wěn)定及巖層錯動的現(xiàn)象，該軟件能較好地模擬材料在達(dá)到強(qiáng)度極限時發(fā)生的破壞或塑性流動，把巖石看作一個連續(xù)體，且能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質(zhì)的間斷特性，允許發(fā)生滑動或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節(jié)理或摩擦邊界。在該軟件中斷層的建?？刹捎脙煞N方式，分別是弱化法和接觸面法[20]，其中，采用接觸法進(jìn)行斷層建模時操作簡捷，效果顯著。當(dāng)建立接觸面單元并指定摩擦力、內(nèi)聚力、法向和剪切剛度以及抗拉強(qiáng)度特性后，可以動態(tài)分析一定受力條件下兩個接觸的表面上產(chǎn)生錯動滑移、分開與閉合，在模擬大變形問題上有其與眾不同之處。由于斷層交匯處極易產(chǎn)生大變形滑動，因此，本次研究主要采用FLAC3D接觸面法進(jìn)行斷層建模。

1.2.1 數(shù)值模型及基本假設(shè)

建立了下部砂巖儲集層、上部泥巖蓋層的地層組合以及兩條斷層交匯的數(shù)值模型，模型長200 m，高100 m，寬100 m，交匯處距離地表埋深750 m，一個500 m厚的泥巖層覆蓋1 km厚的砂巖層。本次研究采用三維摩爾—庫倫本構(gòu)模型，使用FLAC3D內(nèi)置網(wǎng)格建立模型，選取接觸面模擬方法，即應(yīng)用interface命令創(chuàng)建接觸面，建立有限差分?jǐn)?shù)值模型。模型底部固定，四周施加區(qū)域最小水平主應(yīng)力和中間水平主應(yīng)力σ3、σ2，頂部施加區(qū)域最大主應(yīng)力σ1(見圖3)。

圖3 斷層交匯數(shù)值模型及應(yīng)力加載情況

為了研究兩條斷層相交角度θ的大小對交匯處應(yīng)力分布的影響，分別建立θ為15(°)、30(°)、45(°)、60(°)、75(°)、90(°)共6個正斷層交匯模型，不同夾角情況下斷層傾向組合關(guān)系和對應(yīng)數(shù)值模形見圖4。

為了研究斷層交匯處附近應(yīng)力的分布，現(xiàn)做如下基本假設(shè)：①模型針對繼承型X型正斷層，斷層的形成演化有先后順序。假定主斷層a為不變斷層(其各參數(shù)固定不變)，其傾角為45(°)；斷層b為變動斷層，通過改變斷層b與斷層a的相交角度θ，分析對X型正斷層附近地應(yīng)力場的影響；②周圍巖體為均勻各向同性材料；③斷層為完全彈性材料；④斷層處理為斷層面；⑤邊界應(yīng)力為區(qū)域應(yīng)力，作用方向垂直于邊界；⑥本文對數(shù)值試驗?zāi)Ｐ褪┘拥某跏紤?yīng)力場為構(gòu)造應(yīng)力場，而在研究構(gòu)造應(yīng)力場時，選取不同的側(cè)壓力系數(shù)λ施加即可。

1.2.2 模型的初始化邊界條件及參數(shù)選取

對于構(gòu)造應(yīng)力場的施加包括兩個方向的力：豎向地應(yīng)力σv、水平向地應(yīng)力σh。下面就這兩個方向的地應(yīng)力分別進(jìn)行計算，并在計算模型上予以施加。

2）因為結(jié)果量少了，新生莖葉必然夏季生長特別旺盛，很容易出現(xiàn)徒長，形成超大且通透性很差的冠層，不但會導(dǎo)致病害加劇，還會抑制光合產(chǎn)物輸送到粗根、主干等部位儲存起來，不利于第2年樹勢恢復(fù)。這樣一來，氮肥的施用還需慎重。

σv=γ·H

(1)

σh=λ·γ·H

(2)

(3)

式(1～3)中：σv為豎向地應(yīng)力，MPa;σh為水平向地應(yīng)力，MPa;γ為圍巖的平均容重;H為埋深，m;

圖4 不同交角的X型正斷層數(shù)值模型

λ為側(cè)壓力系數(shù)，μ為圍巖的泊松比(但λ可以根據(jù)實際條件可能小于或大于1)。

模型受到垂直于邊界的區(qū)域應(yīng)力場的作用，σ1為區(qū)域最大主應(yīng)力，屬于豎向地應(yīng)力，σ1=-18 Mpa，σ2為區(qū)域中間水平主應(yīng)力，λ=0.25，σ2=-4.5 Mpa，最小水平主應(yīng)力σ3和中間水平主應(yīng)力σ2相等且都屬于水平向地應(yīng)力；本次模擬采用摩爾—庫倫模型，因此需確定模擬區(qū)巖體的容重、楊氏模量、泊松比、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)。圍巖及斷層結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)設(shè)置參照表1[21]。

2 模擬結(jié)果及分析

在以上邊界條件和巖石物理參數(shù)的約束下，獲得兩條斷層夾角變化時交匯部位應(yīng)力變化的模擬結(jié)果(見圖5)，應(yīng)力正負(fù)采用彈性理論規(guī)定，即張應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

表1 圍巖及斷層結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)取值

圖5 不同交角的X型正斷層應(yīng)力分布

1) 垂直應(yīng)力分布特征：當(dāng)θ為 15(°)、30(°)、45(°)時，斷層交匯處中間存在一個非常明顯的應(yīng)力集中區(qū)且為擠壓應(yīng)力。應(yīng)力集中程度一般用應(yīng)力的最大值來衡量，在此范圍內(nèi)，隨著斷層交角的增大，應(yīng)力集中程度逐漸增大；當(dāng)θ為 60(°)、75(°)、90(°)時，應(yīng)力集中區(qū)依然為擠壓應(yīng)力，但隨著斷層交角的增大，應(yīng)力集中程度逐漸降低。

2) 水平應(yīng)力分布特征：當(dāng)θ為 15(°)、30(°)、45(°)時，斷層交匯處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且為拉張應(yīng)力，隨著斷層交角的增大，應(yīng)力集中程度增大，但整體應(yīng)力集中的程度不是很高；當(dāng)θ為 60(°)、75(°)、90(°)時，應(yīng)力集中區(qū)依然主要為拉張應(yīng)力，同時也出現(xiàn)擠壓應(yīng)力，但隨著斷層交角的增大，拉張應(yīng)力集中程度逐漸降低，擠壓應(yīng)力集中程度幾乎無變化。

綜上可知：在斷裂交匯部位垂直應(yīng)力表現(xiàn)為擠壓性質(zhì)的力，不明顯受相交角度變化的影響，而水平應(yīng)力主要為拉張性質(zhì)的力，當(dāng)θ大于45(°)后出現(xiàn)擠壓應(yīng)力。此外，斷裂交匯部位水平、垂直應(yīng)力集中程度具有先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)相交角度為45(°)時，水平、垂直應(yīng)力集中程度達(dá)到最大。水平應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢增大、再緩慢降低(見圖6a)，而垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先緩慢增大、突然增大、再降低，最后緩慢降低的規(guī)律(見圖6b)，并且垂直應(yīng)力大小較水平應(yīng)力明顯大一個數(shù)量級。

圖6 斷裂交匯點水平、垂直應(yīng)力集中程度與相交角度的關(guān)系

3 油氣地質(zhì)意義

地應(yīng)力是作用于巖石骨架上的壓力，油氣的生成、運移和聚集是地下巖石與地下流體相互作用的復(fù)雜過程和結(jié)果。因此，地應(yīng)力與油氣生、運、聚的關(guān)系密不可分。綜合數(shù)值模擬結(jié)果，斷層交角為45(°)左右時的正斷層交匯處是應(yīng)力高度集中區(qū)，在油氣生成過程中，釋放大量應(yīng)變能，為烴源巖成烴轉(zhuǎn)化提供了能量；在地應(yīng)力集結(jié)的過程中，由于地應(yīng)力的增加，一方面使巖石物性發(fā)生改變，另一方面巖石骨架所承受的有效壓應(yīng)力或擠壓應(yīng)力部分地轉(zhuǎn)移到孔隙流體使之產(chǎn)生異常高壓，并在應(yīng)力集結(jié)處形成高勢區(qū)；在應(yīng)力釋放過程中，由于地應(yīng)力降低部分巖石骨架回彈孔隙空間加大，流體壓力相對降低并在應(yīng)力釋放處形成低勢區(qū)?？梢姷貞?yīng)力的變化直接為油氣運移提供了動力，且當(dāng)?shù)貞?yīng)力發(fā)生集結(jié)或張弛的變化時，為油氣運移提供了通道。故在油氣運移過程中，改變了巖石物性，裂縫發(fā)育，構(gòu)成油氣優(yōu)勢運移通道和增大運移量;在地應(yīng)力的作用下，巖石發(fā)生的各種變形為油氣的聚集提供了各類圈閉。在油氣聚集過程中，油氣往往富集于構(gòu)造應(yīng)力疊復(fù)強(qiáng)應(yīng)變部位，斷裂應(yīng)變強(qiáng)度越高，油氣富集程度一般越高。因此，在斷陷盆地X型正斷層區(qū)域的油氣藏勘探過程中，斷層交角為45(°)左右時最有利于油氣的運移和聚集。

4 結(jié) 論

1)斷裂交匯部位垂直應(yīng)力表現(xiàn)為擠壓性質(zhì)的力，不明顯受相交角度變化的影響，而水平應(yīng)力主要為拉張性質(zhì)的力，當(dāng)θ大于45(°)后出現(xiàn)擠壓應(yīng)力，隨著斷層交角的增大，拉張應(yīng)力逐漸降低，擠壓應(yīng)力幾乎無變化。

2)斷裂交匯部位水平、垂直應(yīng)力集中程度具有先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)相交角度為45(°)時，水平、垂直應(yīng)力集中程度達(dá)到最大。水平應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢增大、再緩慢降低，而垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先緩慢增大、突然增大、再降低，最后緩慢降低的規(guī)律，并且垂直應(yīng)力大小較水平應(yīng)力明顯大一個數(shù)量級。

3)斷裂交匯區(qū)應(yīng)力的集中和松弛可使巖石孔隙空間和流體勢發(fā)生明顯變化，進(jìn)而對油氣的運移和聚集產(chǎn)生影響。應(yīng)力高集中區(qū)能夠釋放大量應(yīng)變能，最有利于油氣的運移和聚集，因此，斷陷盆地X型正斷層的勘探中，交角為45(°)時是最有利的油氣富集區(qū)。