復合斷層對地應力的影響研究

倪 偉，劉桂玲，林 波

(中國石化江蘇油田分公司勘探開發研究院, 江蘇 揚州 225009)

通過對蘇北盆地十多個油田模擬地應力大小和方向圖資料進行分析，發現斷裂帶附近最大主應力具有較高的變化梯度，特別是在斷裂構造走向發生轉向或多條斷裂交匯的部位。因此有必要開展斷層對地應力的影響研究。江蘇油田屬復雜小斷塊油田，常見多條斷層以各種方式的復合。本文僅研究平行、交叉兩種復合斷層對地應力的影響。

1 研究方法

采用有限元分析方法，在有限元分析時，為了忽略邊界條件對研究區域的影響，往往把研究區域用較大的區域包圍，在外圍區域內進行有限元約束[1-3]。本文選用二維平面模型，為約束平面的剛性位移，約束選用一點全約束，另一點約束一個方向。區域寬度為斷層長度的5倍，足以消除斷層約束對斷層周圍地應力的影響。模型選用在外邊界上加均布力，為簡化外邊界的應力邊界條件，選擇外邊界的方向沿著區域主應力的方向[4-6]。

2 復合斷層對地應力的影響

2.1 平行斷層

平行斷層是由若干條產狀大致相同的正斷層排列而成。模型中設置兩條平行斷層間距為水平斷距的20倍，左側斷層的彈性模量比右側斷層的彈性模量小，即左側斷層比右側斷層破碎嚴重，區域最小主應力方向與斷層走向夾角為15°。

模擬結果表明：左邊斷層端部和附近應力集中的程度和范圍較右邊斷層大，應力方向變化的范圍和幅度也較大。改變兩條平行斷層與區域最大水平主應力的夾角θ發現，當θ在45°時斷層端部的應力集中程度達到最大，這與單條斷層模擬的結論類似(見圖1～圖3)。

圖1 平行斷層最大主應力改變量等值線圖

圖2 平行斷層最小主應力改變量等值線圖

圖3 平行斷層最大主應力方向改變量等值線圖

從圖3可以看出，兩斷層之間且靠近斷層中部的區域可以不考慮斷層對主應力方向的影響。改變較大的為兩斷層端部，根據兩斷層之間的距離，重疊部分大小不同。可根據疊加原理，計算每一斷層端部某點的應力狀態，然后疊加兩種應力狀態，得到共同作用時的應力狀態，再得到該點的最大、最小主應力大小和方向。

2.2 交叉斷層

交叉斷層模型的模擬結果表明：不僅在斷層端部有應力集中，在斷層的交匯處也出現應力集中現象，且應力集中范圍明顯變大，附近應力方向的變化也十分復雜。

運用大型有限元軟件進行計算，獲得分叉附近的最大和最小主應力云圖。從云圖可以看出，分叉對最大主應力的影響呈近似橢圓形狀(見圖4)，而分叉對最小主應力的影響成三葉草形狀(見圖5)。

圖4 最大主應力云圖

圖5 最小主應力云圖

根據斷層交叉與最小主應力方向之間的關系，可以分成兩種情況分別考慮：一種為交叉角中軸線沿最小主應力方向；另一種為交叉角中軸線沿最大主應力方向。

2.2.1 交叉角中軸線沿最小主應力方向

當交叉角中軸線沿最小主應力方向時，模擬研究斷層夾角從10°到150°的地應力變化。從研究結果來看，地層附近最大主應力大小改變較大的區域是距交叉點2倍斷距以內(見圖6)，而地層附近最小主應力大小改變較大的區域是距交叉點1.5倍斷距以內(見圖7)。兩斷層的夾角是交叉附近區域地應力改變的重要影響因素，從圖中曲線也可看出，隨著斷層夾角增大，斷層交叉附近點主應力先減小后增大，最大、最小主應力的幅值分別為-10～6 MPa和-6～4 MPa。

從不同交叉角時交叉角附近地層最大主應力方向的影響結果(見圖8)來看，主應力方向隨交叉角的增加而順時針先增加后減小，在夾角為50°和70°時，主應力方向改變最大；同時主應力方向的改變比主應力大小的改變大，其變化范圍在區域主應力方向上偏差25°左右。

圖6 不同交叉角時交叉角附近地層最大主應力改變值

圖7 不同交叉角時交叉角附近地層最小主應力改變值

圖8 不同交叉角時交叉角附近地層最大主應力方向

2.2.2 交叉角中軸線沿最大主應力方向

當交叉角中軸線沿最大主應力方向時，模擬研究斷層夾角從10°到150°的地應力變化。從研究結果來看，地層附近最小主應力大小改變較大的區域是在1.5倍斷距范圍內(見圖9)；而地層附近點最大主應力大小改變較大的區域是在1倍斷距范圍內(見圖10)。從圖中曲線也可以看出，隨著斷層夾角的增大，斷層交叉附近點主應力大小先減小后增大，最大、最小主應力的幅值分別為-20～5 MPa和-2～5 MPa。

圖9 不同交叉角時交叉角附近地層最大主應力改變值

圖10 不同交叉角度時交叉角附近地層最小主應力改變值

從不同交叉角度時交叉角附近地層最大主應力方向(見圖11)影響來看，主應力方向隨交叉角度的增加而順時針先增加后減小，在夾角為130°和150°時，主應力方向改變量最大；同時主應力方向的改變比主應力大小改變要大，其變化范圍在區域主應力方向上偏差30°左右。

圖11 不同交叉角度時交叉角附近地層最大主應力方向

2.2.3 對比分析

分別選取距離交叉點0.5，1.0，1.5，2.0倍斷距4種情況，研究兩種交叉角中軸線與最大主應力夾角對地應力大小和方向的影響，結果如圖12所示。

從圖左側欄可以看出，引起交叉點附近地層最大主應力改變最大的交叉角為45°和135°，且隨著夾角的增加，主應力由減小變為增大，而引起交叉點附近主應力方向改變最大的交叉角為90°，由此說明方向改變和主應力大小改變不是同步的。

對比分析圖左右兩側可以看出，左側為最大主應力與主斷層夾角較大，右側為最大主應力與主斷層夾角較小；當主控斷層與最大主應力夾角較大時，主應力及方向改變呈反對稱或對稱特點，而當主控斷層與最大主應力夾角較小時，主應力及方向改變不具有反對稱或對稱特點。

圖12 兩種交叉斷層示意

3 結論

(1)平行斷層與區域最大水平主應力的夾角在45°時斷層端部的應力集中程度達到最大。對于延伸較長的斷層，對地應力方向的影響主要在斷層兩端，兩斷層之間且靠近斷層中部的區域可以不考慮斷層對主應力方向的影響。

(2)交叉斷層對地應力大小影響較大的區域是在2倍斷距范圍內。當交叉角中軸線沿最小主應力

方向時，最大、最小主應力的幅值分別在-10～6 MPa和-6～4 MPa。當交叉角中軸線沿最大主應力方向時，最大、最小主應力的幅值分別在-20～5 MPa和-2～5 MPa。

(3)引起交叉點附近地層最大主應力改變最大的交叉角為45°和135°，且隨著夾角的增加，主應力由減小變為增大，而引起交叉點附近主應力方向改變最大的交叉角為90°。