沁水盆地南部高角度正斷層區(qū)應(yīng)力莫爾圓及包絡(luò)線分析

白耀文，李春生，尹 帥

（1．延長油田股份有限公司定邊采油廠，陜西榆林 718600；2．西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065）

利用地質(zhì)力學(xué)手段來進(jìn)行野外地質(zhì)體受力解剖是構(gòu)造分析的重要研究方法。兩億年來，各大陸海岸線輪廓變化不大，且可實(shí)現(xiàn)較好的拼接，因而剛性靜力學(xué)分析學(xué)者認(rèn)為，巖石圈為剛性塊體，不發(fā)生應(yīng)變[1]。但實(shí)際上，地殼表層巖石會不斷發(fā)生變形，此與巖石應(yīng)變時間的累積、巖石的流變性及地球自轉(zhuǎn)的離心力等因素有關(guān)[1-2]。破裂和變形是地質(zhì)體多彩的構(gòu)造形跡的主要受力體現(xiàn)，同時也是構(gòu)造分析的重要研究內(nèi)容[1-2]。應(yīng)力莫爾圓主要基于力學(xué)及幾何學(xué)原理，可以實(shí)現(xiàn)對巖體內(nèi)部不同方向及弱面的應(yīng)力關(guān)系的解剖，被廣泛應(yīng)用于不同構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力解析中[3-4]。受主斷裂的影響，對于斷裂發(fā)育的地區(qū)地層巖石中通常發(fā)育一系列伴生小斷層及裂縫，巖石的莫爾圓及包絡(luò)線均會呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[5]。明確這些變化規(guī)律對提高油氣鉆探效率、節(jié)省鉆探成本及降低斷裂帶鉆探風(fēng)險等方面均具有重要的價值[6]。因此，本文以沁水盆地南部上古生界地層為解剖對象，該目的層具有較大的致密砂巖氣勘探潛力，但目前研究程度尚淺[7]。該區(qū)上古生界地層中高角度及近垂直正斷層極為發(fā)育，通過設(shè)計三軸應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)，對高角度正斷層區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力莫爾圓及包絡(luò)線分析，研究成果可以為致密砂巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)測試

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地南部，包括鄭莊區(qū)塊、樊莊區(qū)塊和潘莊區(qū)塊。其目的層為上古生界石炭—二疊系，石炭系地層平均厚度約200 m，二疊系地層平均厚度約800 m，上覆地層為三疊系及第四系，三疊系地層平均厚度約 250 m，第四系地層平均厚度約50 m。石炭—二疊系巖性主要為碎屑巖、灰?guī)r及多層煤[8]。根據(jù)最新地震資料解釋，認(rèn)為區(qū)內(nèi)主要發(fā)育一些高角度及近垂直的正斷層，以NE和NNE向?yàn)橹鳎倭繑鄬臃较驗(yàn)镹W及NWW，斷距較小，延伸較短。總體上地勢東南高，西北低，地壘和地塹相間分布。

1.2 三軸實(shí)驗(yàn)測試

三軸實(shí)驗(yàn)測試樣品為沁水盆地南部地區(qū)二疊系山西組致密砂巖，埋深610 m。樣品尺寸為25×50 mm，飽和地層鹽水。實(shí)驗(yàn)測試為YMW-1000程控伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī)，壓力傳感器測量誤差小于1%，位移分辨精度0.000 1 mm。對4組結(jié)構(gòu)完整的巖樣分別進(jìn)行了圍壓為5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa的應(yīng)力測試，編號分別為Q1、Q2、Q3及Q4，分析其有效正應(yīng)力與剪應(yīng)力間的關(guān)系（圖1），隨著加載圍壓的增加，應(yīng)力莫爾圓逐漸向右遷移和擴(kuò)張，進(jìn)而可確定出相應(yīng)包絡(luò)線，通過包絡(luò)線確定了該巖樣的內(nèi)摩擦角(φ)為46.37°。

圖1 完整巖樣有效正應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系

2 結(jié)果分析

2.1 不同斷裂帶應(yīng)力包絡(luò)線分析

分析了不同類型斷裂帶巖石有效正應(yīng)力與剪應(yīng)力間的關(guān)系，θ1為正斷層斷面傾角，θ2為斷層薄弱帶的傾角，如圖2所示。對于地層條件下正斷層區(qū)的莫爾圓，受斷層帶斷面或伴生裂縫的影響，隨著σn的增加，τ出現(xiàn)大幅度降低，表現(xiàn)為莫爾圓會向左發(fā)生移動，同時，莫爾圓的半徑逐漸減小[9]。根據(jù)莫爾圓與擬合獲得的包絡(luò)線間的交點(diǎn)可以確定θ1（圖2），θ1值較大，這與該地區(qū)上古生界地層廣泛發(fā)育高角度及近垂直的正斷層結(jié)果是一致的。該地區(qū)存在一系列不同尺度正斷層，當(dāng)這些正斷層所受應(yīng)力機(jī)制完全相同時，θ1值是不變的，表現(xiàn)為共用同一條包絡(luò)線（圖3）。因此，在同一應(yīng)力機(jī)制作用下，該地區(qū)斷層由深到淺的產(chǎn)狀變化不大。

圖2 不同斷裂帶巖石有效正應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系

此外，該地區(qū)上古生界地層中還存在一些斷層薄弱帶，為高角度正斷層產(chǎn)生過程中的次級小斷層或裂縫發(fā)育帶。這些薄弱帶可以在觀察巖心過程中容易識別出來，通常為“破碎帶”。觀察巖心結(jié)果表明，破碎帶的成層性分布角度通常小于30°。從應(yīng)力加載曲線圖中也可以對這些薄弱帶進(jìn)行定量表征（圖2），主要表現(xiàn)為隨著σn的增加，τ急劇降低，地層巖石抗剪切破裂的能力非常低，此時巖石θ2值較低，與巖心觀察結(jié)果一致。

圖3 正斷層盤巖石有效正應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系

2.2 斷層角度對應(yīng)力包絡(luò)線的影響

該地區(qū)整體以高角度及近垂直的正斷層為主，但不同角度的正斷層仍具有差異，考慮角度變化時，地層巖石應(yīng)力莫爾圓變化如圖4所示。對于同一條包絡(luò)線，巖石發(fā)生破裂的強(qiáng)度是不變的。當(dāng)原始正斷層區(qū)莫爾圓（a）向左移動時，莫爾圓半徑不變，但θa值明顯大于θ1值，此時巖石抗剪切破裂的能力明顯提高；當(dāng)原始莫爾圓（a）向右移動時，莫爾圓半徑不變，θb值要小于θ1值，此時巖石抗剪切破裂的能力明顯降低。該研究說明，當(dāng)正斷層盤的角度逐漸增加時，巖石抗剪切破裂的能力不但沒有降低，反而提高了，這與前人對含有不同方向弱面巖石所進(jìn)行的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致[10-12]。當(dāng)巖樣中弱面約為30°時，巖石強(qiáng)度最低；隨著角度的增加，巖石強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)約為90°時，巖石強(qiáng)度達(dá)最大值[10-12]。

圖4 正斷層盤莫爾圓移動與巖石破裂關(guān)系

本文未對該區(qū)高角度正斷層的形成及演化機(jī)制進(jìn)行分析，主要由于該區(qū)正斷層的形成始于燕山期，上古生界地層最大埋深通常大于3 000 m[13]，具有復(fù)雜的古應(yīng)力環(huán)境，斷層的形成機(jī)制極為復(fù)雜。因此，本文僅對該區(qū)目前斷裂帶的實(shí)際情況進(jìn)行了應(yīng)力莫爾圓及包絡(luò)線研究分析，該研究對提高油氣鉆探效率、節(jié)省鉆探成本及降低斷裂帶鉆探風(fēng)險具有一定參考價值。

3 結(jié)論

（1）沁水盆地南部上古生界地層高角度及近垂直正斷層極為發(fā)育。應(yīng)力莫爾圓及包絡(luò)線分析結(jié)果表明，與遠(yuǎn)離斷層的結(jié)構(gòu)完整巖石相比，正斷層區(qū)的莫爾圓會向左移動，同時半徑減小，其斷面傾角(θ1)較大，與該區(qū)上古生界地層廣泛發(fā)育高角度及近垂直正斷層結(jié)果一致。

（2）對于同一應(yīng)力機(jī)制條件下的正斷層，θ1值不隨深度變化而發(fā)生變化，因此該地區(qū)深、淺部正斷層產(chǎn)狀變化不大。

（3）斷層薄弱帶為高角度正斷層產(chǎn)生過程中形成的一些次級小斷層或裂縫發(fā)育帶，巖心觀察表現(xiàn)為破碎帶，其成層性分布角度通常小于30°，其與莫爾圓中較低的斷層薄弱帶傾角(θ2)一致。

（4）隨著正斷層斷面傾角的增加，地層巖石的抗剪切破裂的強(qiáng)度逐漸提高。