沁水盆地南部高角度正斷層區應力莫爾圓及包絡線分析

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．西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065）

利用地質力學手段來進行野外地質體受力解剖是構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，且可實現較好的拼接，因而剛性靜力學分析學者認為，巖石圈為剛性塊體，不發生應變[1]。但實際上，地殼表層巖石會不斷發生變形，此與巖石應變時間的累積、巖石的流變性及地球自轉的離心力等因素有關[1-2]。破裂和變形是地質體多彩的構造形跡的主要受力體現，同時也是構造分析的重要研究內容[1-2]。應力莫爾圓主要基于力學及幾何學原理，可以實現對巖體內部不同方向及弱面的應力關系的解剖，被廣泛應用于不同構造區的應力解析中[3-4]。受主斷裂的影響，對于斷裂發育的地區地層巖石中通常發育一系列伴生小斷層及裂縫，巖石的莫爾圓及包絡線均會呈現不同的變化規律[5]。明確這些變化規律對提高油氣鉆探效率、節省鉆探成本及降低斷裂帶鉆探風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]。該區上古生界地層中高角度及近垂直正斷層極為發育，通過設計三軸應力測試實驗，對高角度正斷層區進行了應力莫爾圓及包絡線分析，研究成果可以為致密砂巖氣勘探開發提供依據。

1 研究區概況及實驗測試

1.1 研究區概況

研究區位于沁水盆地南部，包括鄭莊區塊、樊莊區塊和潘莊區塊。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、灰巖及多層煤[8]。根據最新地震資料解釋，認為區內主要發育一些高角度及近垂直的正斷層，以NE和NNE向為主，少量斷層方向為NW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 三軸實驗測試

三軸實驗測試樣品為沁水盆地南部地區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。實驗測試為YMW-1000程控伺服巖石剛性試驗機，壓力傳感器測量誤差小于1%，位移分辨精度0.000 1 mm。對4組結構完整的巖樣分別進行了圍壓為5 MPa、10 MPa、15 MPa及20 MPa的應力測試，編號分別為Q1、Q2、Q3及Q4，分析其有效正應力與剪應力間的關系（圖1），隨著加載圍壓的增加，應力莫爾圓逐漸向右遷移和擴張，進而可確定出相應包絡線，通過包絡線確定了該巖樣的內摩擦角(φ)為46.37°。

圖1 完整巖樣有效正應力與剪應力關系

2 結果分析

2.1 不同斷裂帶應力包絡線分析

分析了不同類型斷裂帶巖石有效正應力與剪應力間的關系，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出現大幅度降低，表現為莫爾圓會向左發生移動，同時，莫爾圓的半徑逐漸減小[9]。根據莫爾圓與擬合獲得的包絡線間的交點可以確定θ1（圖2），θ1值較大，這與該地區上古生界地層廣泛發育高角度及近垂直的正斷層結果是一致的。該地區存在一系列不同尺度正斷層，當這些正斷層所受應力機制完全相同時，θ1值是不變的，表現為共用同一條包絡線（圖3）。因此，在同一應力機制作用下，該地區斷層由深到淺的產狀變化不大。

圖2 不同斷裂帶巖石有效正應力與剪應力關系

此外，該地區上古生界地層中還存在一些斷層薄弱帶，為高角度正斷層產生過程中的次級小斷層或裂縫發育帶。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”。觀察巖心結果表明，破碎帶的成層性分布角度通常小于30°。從應力加載曲線圖中也可以對這些薄弱帶進行定量表征（圖2），主要表現為隨著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，與巖心觀察結果一致。

圖3 正斷層盤巖石有效正應力與剪應力關系

2.2 斷層角度對應力包絡線的影響

該地區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，地層巖石應力莫爾圓變化如圖4所示。對于同一條包絡線，巖石發生破裂的強度是不變的。當原始正斷層區莫爾圓（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行的巖石力學實驗結果較為一致[10-12]。當巖樣中弱面約為30°時，巖石強度最低；隨著角度的增加，巖石強度不斷增加，當約為90°時，巖石強度達最大值[10-12]。

圖4 正斷層盤莫爾圓移動與巖石破裂關系

本文未對該區高角度正斷層的形成及演化機制進行分析，主要由于該區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]，具有復雜的古應力環境，斷層的形成機制極為復雜。因此，本文僅對該區目前斷裂帶的實際情況進行了應力莫爾圓及包絡線研究分析，該研究對提高油氣鉆探效率、節省鉆探成本及降低斷裂帶鉆探風險具有一定參考價值。

3 結論

（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育。應力莫爾圓及包絡線分析結果表明，與遠離斷層的結構完整巖石相比，正斷層區的莫爾圓會向左移動，同時半徑減小，其斷面傾角(θ1)較大，與該區上古生界地層廣泛發育高角度及近垂直正斷層結果一致。

（2）對于同一應力機制條件下的正斷層，θ1值不隨深度變化而發生變化，因此該地區深、淺部正斷層產狀變化不大。

（3）斷層薄弱帶為高角度正斷層產生過程中形成的一些次級小斷層或裂縫發育帶，巖心觀察表現為破碎帶，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度逐漸提高。