X型正斷層交匯處應力分布及其油氣地質意義

高喜成，孫同文，平貴東，高 鑫

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

0 前 言

1 模型建立

1.1 X型正斷層的形成機制

X型正斷層又被稱為共軛正斷層，是一種發育于伸展變形區的斷裂系統[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，在剖面上表現為X型形態[15]。X型正斷層產生于各級構造尺度環境，在野外露頭及地震資料中較為常見(見圖1)。在不同地質背景中，厘米至千米級別的X型正斷層均有發育[16-19]。

根據前人的研究，深層或淺層X型正斷層分支優先活動將可以形成多種形態基本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理不同。新生型X型正斷層基本只由傾向相關的兩條斷裂組成，并且兩條斷裂都未斷至基底，斷距較小，整體形態簡單，表現為單一、對稱的X型結構，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，下部斷層形態較簡單，而上部發育多條斷裂，其斷距都較小，組合形成多種不同樣式。其發育與基底斷裂的復活或繼承性活動有關，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。

(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

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

1.2 X型正斷層交匯處地應力場分布數值模擬

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破壞，比較適合模擬地質構造中節理、斷層和褶皺等的變形全過程。當巖體中出現斷層、節理時，會出現不穩定及巖層錯動的現象，該軟件能較好地模擬材料在達到強度極限時發生的破壞或塑性流動，把巖石看作一個連續體，且能夠模擬兩種或多種材料界面不同材料性質的間斷特性，允許發生滑動或分離，因此可以用來模擬巖體中的斷層、節理或摩擦邊界。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，采用接觸法進行斷層建模時操作簡捷，效果顯著。當建立接觸面單元并指定摩擦力、內聚力、法向和剪切剛度以及抗拉強度特性后，可以動態分析一定受力條件下兩個接觸的表面上產生錯動滑移、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生大變形滑動，因此，本次研究主要采用FLAC3D接觸面法進行斷層建模。

1.2.1 數值模型及基本假設

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—庫倫本構模型，使用FLAC3D內置網格建立模型，選取接觸面模擬方法，即應用interface命令創建接觸面，建立有限差分數值模型。模型底部固定，四周施加區域最小水平主應力和中間水平主應力σ3、σ2，頂部施加區域最大主應力σ1(見圖3)。

圖3 斷層交匯數值模型及應力加載情況

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系和對應數值模形見圖4。

為了研究斷層交匯處附近應力的分布，現做如下基本假設：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邊界應力為區域應力，作用方向垂直于邊界；⑥本文對數值試驗模型施加的初始應力場為構造應力場，而在研究構造應力場時，選取不同的側壓力系數λ施加即可。

1.2.2 模型的初始化邊界條件及參數選取

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

2）因為結果量少了，新生莖葉必然夏季生長特別旺盛，很容易出現徒長，形成超大且通透性很差的冠層，不但會導致病害加劇，還會抑制光合產物輸送到粗根、主干等部位儲存起來，不利于第2年樹勢恢復。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為豎向地應力，MPa;σh為水平向地應力，MPa;γ為圍巖的平均容重;H為埋深，m;

圖4 不同交角的X型正斷層數值模型

λ為側壓力系數，μ為圍巖的泊松比(但λ可以根據實際條件可能小于或大于1)。

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

2 模擬結果及分析

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

表1 圍巖及斷層結構面力學參數取值

圖5 不同交角的X型正斷層應力分布

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

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

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

圖6 斷裂交匯點水平、垂直應力集中程度與相交角度的關系

3 油氣地質意義

地應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雜過程和結果。因此，地應力與油氣生、運、聚的關系密不可分。綜合數值模擬結果，斷層交角為45(°)左右時的正斷層交匯處是應力高度集中區，在油氣生成過程中，釋放大量應變能，為烴源巖成烴轉化提供了能量；在地應力集結的過程中，由于地應力的增加，一方面使巖石物性發生改變，另一方面巖石骨架所承受的有效壓應力或擠壓應力部分地轉移到孔隙流體使之產生異常高壓，并在應力集結處形成高勢區；在應力釋放過程中，由于地應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力釋放處形成低勢區?？梢姷貞Φ淖兓苯訛橛蜌膺\移提供了動力，且當地應力發生集結或張弛的變化時，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，裂縫發育，構成油氣優勢運移通道和增大運移量;在地應力的作用下，巖石發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，油氣往往富集于構造應力疊復強應變部位，斷裂應變強度越高，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 論

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

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

3)斷裂交匯區應力的集中和松弛可使巖石孔隙空間和流體勢發生明顯變化，進而對油氣的運移和聚集產生影響。應力高集中區能夠釋放大量應變能，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。