塔中地區(qū)構(gòu)造應力場數(shù)值模擬研究

邱登峰，鄭孟林，張瑜，張仲培

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲層實驗室，北京100083)

塔中地區(qū)構(gòu)造應力場數(shù)值模擬研究

邱登峰，鄭孟林，張瑜，張仲培

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院構(gòu)造與沉積儲層實驗室，北京100083)

構(gòu)造應力場研究對于油氣運聚分析及儲層特征描述具有重要的理論和實際意義。本文根據(jù)塔中隆起斷裂特征及其演化史，結(jié)合鉆井資料，選擇中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖為主要研究對象，應用大型有限元分析軟件ANSYS，在處理斷層問題時運用非連續(xù)的接觸算法，模擬了中奧陶世末、中泥盆世末、三疊紀末、新近紀末的構(gòu)造應力場，研究了該區(qū)不同時期的古應力分布特征。研究表明，最大主壓應力受東部車爾臣－星星峽走滑斷裂影響顯著，在隆起區(qū)沿斷裂帶呈條帶狀低值分布，在不同時期塔中Ⅰ號斷裂帶無一例外地位于最大主壓應力的最低區(qū)，反映了塔中斷裂帶尤其是塔中Ⅰ號斷裂帶是油氣運移的有利指向區(qū)。最小主壓應力沿斷裂帶呈條帶狀高值分布，在斷裂的上盤、斷裂走向發(fā)生變化和斷裂的傾末端是張應力高值區(qū)，為張裂縫發(fā)育的重要構(gòu)造部位。最小主壓應力和最大剪應力受車爾臣－星星峽走滑斷裂的影響明顯減弱。

塔中;構(gòu)造應力場;有限元;數(shù)值模擬;非連續(xù)

構(gòu)造應力場就是在一個空間范圍內(nèi)構(gòu)造應力的分布(萬天豐，1988)，各種構(gòu)造跡象，包括礦物顆粒在三度空間排列方位的規(guī)律性，是巖石在構(gòu)造應力場中應力作用的反映(李四光，1973)。它不僅控制著裂縫的形成和演化(Treagus，1981;單家增等，2004)，也是油氣運移的重要動力之一(Perrodon，1992;李明誠，1994;王毅等，2005)。因此，開展古構(gòu)造應力場研究，尤其是古構(gòu)造應力場的定量研究，對進行含油氣盆地儲集層特征描述及油氣運聚分析具有重要的理論和實際意義(孫曉慶，2008)。構(gòu)造應力場研究的基本方法為利用巖石中已存在的構(gòu)造形變特征來反推形變作用發(fā)生前后的構(gòu)造應力狀態(tài)，除地質(zhì)研究方法之外，還有模擬研究方法，即包括各種物理模擬與數(shù)值模擬(萬天豐，1988)。有限單元法是構(gòu)造應力場數(shù)值模擬的重要方法之一。目前在構(gòu)造應力場數(shù)值模擬及其與油氣運聚關(guān)系及裂縫預測方面的研究取得了一批非常有價值的成果(蔣有錄等，2005;楊奎鋒等，2006;劉翠榮，2002;劉聰?shù)龋?008;佟彥明，2007;張勝利等，2007;桑廣森等，2010)。不過，由于計算條件和理論方法的限制，以往的多數(shù)工作往往采用連續(xù)變形算法，在處理斷層問題時，常采用軟弱帶來模擬斷層的物理性質(zhì)。這對斷裂構(gòu)造的模擬有很大的不足(鄭勇等，2007;雷顯權(quán)和陳運平，2011)，而斷裂構(gòu)造是造成地殼巖體中應力發(fā)生復雜變化的主要因素之一(蘇生瑞，2002)。不連續(xù)體概念和不連續(xù)變形理論的逐漸成熟使得利用數(shù)值模擬方法研究斷層真實動力學狀態(tài)成為可能(石根華，1993;鄭勇等，2007)。本文以塔中隆起為研究對象，根據(jù)塔中隆起斷裂特征及其演化史，結(jié)合鉆井資料，應用非連續(xù)的接觸模型模擬斷層，對中下奧陶統(tǒng)不同時期的構(gòu)造應力場進行了有限元數(shù)值模擬研究，并對研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造應力場與油氣運聚關(guān)系進行了初步探討。

1 塔中地區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)概況

塔中地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起的中段，東界呈過渡形式與古城墟隆起西南部相連，南界以逆沖斷裂帶形式緊鄰塘古孜巴斯坳陷，西以吐木休克斷裂、巴東斷裂為界與巴楚隆起分隔，西北與阿瓦提凹陷呈NW向傾斜過渡，北界以斜坡形式與滿加爾坳陷相鄰(賈承造，1997;劉克奇和金之鈞，2004)，面積約2.75萬km2。塔中隆起為一個比較完整的由多個次級構(gòu)造帶組成的大型斷背斜構(gòu)造，形成于中奧陶世末，定型于中泥盆世末期，石炭系及以上地層構(gòu)成平緩單斜，表明后期被埋藏。多期構(gòu)造演化和復雜的演化過程導致了該區(qū)存在多期地層不整合(李明杰等，2004)(圖1)，其中中奧陶世末、奧陶紀末、中泥盆世末、二疊紀末、三疊紀末以及新生代的構(gòu)造事件對該區(qū)的構(gòu)造變形、地層不整合的形成以及油氣的聚集與調(diào)整(或改造)等都具有重要的影響。

塔中隆起是塔里木盆地重要的油氣聚集區(qū)帶，主要產(chǎn)油氣層系是奧陶系頂面風化殼和石炭系下部海相砂巖層(賈承造，1997)。在中奧陶世末，西昆侖庫地洋向塔里木板塊俯沖，區(qū)域應力場由拉伸狀態(tài)變?yōu)閭?cè)向擠壓狀態(tài)，塔中隆起形成，在隆起頂部中下奧陶統(tǒng)遭受剝蝕，灰?guī)r出露地表遭受長期的淋濾、風化形成塔中地區(qū)第一套有利的儲集層系(張光亞，2000;劉克奇和金之鈞，2004;劉訓和王永，1995;湯良杰，1997)。中泥盆世末期的早海西運動使塔中隆起構(gòu)造格局基本定型，以后進入構(gòu)造相對穩(wěn)定的發(fā)展時期(劉克奇和金之鈞，2004)。油氣藏主要形成時期為加里東晚期－海西早期、海西晚期－印支期、喜馬拉雅期(康志宏等，2001;龐宏等，2010)。

圖1 塔中隆起NS-520地震地質(zhì)解釋剖面(據(jù)李明杰等，2004略改)Fig.1 Interpreted geological seismic section of line NS-520 in the Tazhong uplift

本文選擇塔中地區(qū)主要儲集層系之一、構(gòu)造改造強烈的中下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖層為二維模擬對象，在認為水平應力為盆地構(gòu)造變形的主導應力場的情況下，忽略上覆地層壓力的影響，模擬其在中奧陶世末、中泥盆世末、三疊紀末和新近紀末等關(guān)鍵構(gòu)造期的構(gòu)造應力分布，并研究該區(qū)的油氣聚集特征。

2 構(gòu)造應力場的數(shù)值模擬

有限元方法是一種比較成熟的計算應力分布的數(shù)值方法，如果能提供合理的地質(zhì)模型和邊界條件，能比較真實地反映應力的分布狀態(tài)。它是將地質(zhì)體離散成有限個連續(xù)的單元，每個單元內(nèi)賦予其實際的巖石力學參數(shù)，根據(jù)邊界條件，用數(shù)值方法計算各單元內(nèi)應力分布。二維有限元方法在計算中假設其垂向應力與應變忽略不計(湯良杰等，2007)。

2.1 地質(zhì)模型的建立

數(shù)值模擬時以各時期斷裂分布圖作為模型的基本框架，再加上各期地層的巖相界線分區(qū)便構(gòu)成了模擬的地質(zhì)模型(張勝利等，2007)。

塔中隆起斷裂發(fā)育(圖2)，可劃分為兩期。中奧陶世末，塔中隆起南部的巴東南－塘北斷裂帶還沒有形成，由于庫地洋向塔里木板塊下的的消減俯沖與擠壓，臺盆區(qū)整體處于北東向擠壓構(gòu)造背景，形成了塔中Ⅰ號斷裂帶、塔中Ⅱ號斷裂帶和塔中22井南斷裂帶等走向北西西－北西的逆沖斷裂構(gòu)造。巴東南－塘北斷裂帶、塔中1－8井斷裂帶、塔中3井斷裂帶等為走向北東、傾向北西的斷裂系，形成于奧陶紀末期。因此，在進行應力場模擬時，不同時期進行不同的建模，中奧陶世末的構(gòu)造應力場模擬僅考慮塔中隆起塔中Ⅰ號斷裂帶、塔中Ⅱ號斷裂帶、塔中22井南斷裂帶等北西西－北西向斷裂。奧陶紀以后的各期模擬則考慮兩期斷裂。車爾臣－星星峽斷裂帶是該區(qū)東側(cè)北東東向展布的多期活動的大型斷裂帶，在各期的模擬中都認為其存在，并主要發(fā)生走滑構(gòu)造作用。

圖2 塔中隆起中下奧陶統(tǒng)頂面斷裂分布圖Fig.2 Distribution of faults in the Middle-Lower Ordovician surface of the Tazhong uplift

根據(jù)鉆井資料，模擬區(qū)早中奧陶世早期以白云巖、灰質(zhì)白云巖為主，晚期以白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r為主(王國司，2002)，巖性橫向變化不大，總體上模擬層位為海相沉積的碳酸鹽巖，對巖相地質(zhì)單元進行均一化處理，選取統(tǒng)一的巖石力學參數(shù)。

2.2 數(shù)學模型的建立及參數(shù)的選取

模擬時選取ANSYS中具有二次形式的PLANE2單元模擬巖性均質(zhì)連續(xù)體，通過巖心取樣的巖石力學參數(shù)實驗(劉聰?shù)龋?008)，我們得到有限元模擬的巖石物理參數(shù)為:彈性模量E=57.9 GPa，泊松比 μ =0.229。

本次模擬采用非連續(xù)模型的接觸單元來模擬斷層。連續(xù)模型與非連續(xù)接觸模型的區(qū)別在于后者考慮了斷層帶與圍巖之間不連續(xù)運動的接觸關(guān)系，在結(jié)合處通過接觸單元把二者聯(lián)系起來，二者在接觸位置可以發(fā)生錯動;而對于連續(xù)模型，斷層帶與圍巖在結(jié)合處具有公共節(jié)點，二者之間不會發(fā)生錯動，研究結(jié)果表明，非連續(xù)接觸模型比連續(xù)模型能夠更好地模擬斷層(雷顯權(quán)和陳運平，2011)。應用非連續(xù)性接觸模型模擬青藏高原斷層活動的結(jié)果顯示，非連續(xù)模型的運動場分布與GPS觀測結(jié)果吻合程度大大高于連續(xù)體模型結(jié)果(鄭勇等，2007)。

本文模型采用面面接觸方式來處理斷層和圍巖的接觸關(guān)系。將斷層帶與圍巖的接觸邊界相互視為對方的接觸面和目標面，從而組成接觸對，然后，通過接觸力學方法分析斷層的運動狀態(tài)和力學性質(zhì)(ANSYS Inc，2001;鄭勇等，2007;雷顯權(quán)和陳運平，2011)。接觸分析需要計算垂直于目標面的法向接觸應力和平行于目標面的切向接觸應力，采用Pinball算法進行計算。接觸面和目標面之間的間隙(穿透量)用g來表示，當接觸面穿過目標面時，就發(fā)生接觸穿透，規(guī)定此時g為負值。罰函數(shù)法計算法向接觸應力的公式如下:

其中fn為法向接觸應力，Kn為法向接觸剛度。

切向接觸應力是由接觸面在目標面上移動所產(chǎn)生的摩擦力引起的，若接觸面沿目標面的切向位移的彈性分量為，則切向接觸應力為:

其中ft為切向接觸應力，Kt為切向接觸剛度，F(xiàn)為靜態(tài)/動態(tài)摩擦因子，τ為庫倫滑動摩擦力，k為摩擦系數(shù)。

本次模擬采用擴展拉格郎日乘子法為接觸算法。擴展拉格朗日乘子法通過罰函數(shù)的反復迭代得到精確的拉格朗日因子，與罰函數(shù)法相比，擴展拉格朗日乘子法常能得到更好的處理結(jié)果，對罰函數(shù)中參數(shù)的敏感性也更低(ANSYS Inc，2001)。

模擬中選取與PLANE2單元相適應的CONTA172和TARGE169面面高階接觸單元形成接觸對來模擬斷層。本次模擬處理斷裂帶8條，分別為塔中I號斷裂帶、塔中10井斷裂帶、塔中Ⅱ號斷裂帶、塔中22井南斷裂帶、巴東南－塘北斷裂帶、塔中1-8井斷裂帶、塔中3井斷裂帶和塔中5-48井斷裂帶，共生成8個接觸對，并根據(jù)斷層性質(zhì)不同，賦予了不同的接觸參數(shù)(表1)。擴展拉格郎日乘子法需設置四個主要參數(shù)表征接觸單元，即:法向剛度Kn、切向剛度Kt、摩擦系數(shù)k及最大允許穿透值gmax。因區(qū)內(nèi)多條斷層呈現(xiàn)出擠壓－走滑性質(zhì)，為表現(xiàn)具走滑性質(zhì)斷層的切向滑動特征，相對于逆斷層，模擬時通過減小摩擦系數(shù)、減小法向剛度、增大切向剛度的方式來體現(xiàn)。最大允許穿透值gmax的取值兼顧計算精度和耗時。本文參考地球物理學和地震學等資料，計算了多種參數(shù)情況下的模型結(jié)果，通過比較分析，采用如下表所示的斷裂接觸對參數(shù)設置。

表1 主要斷裂接觸對參數(shù)設置Table 1 Contact pair parameters of the main faults

2.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件加載

在建立有限元數(shù)值模型后，對數(shù)值模型進行了三角形自動網(wǎng)格劃分。在模型塊體內(nèi)部，網(wǎng)格尺度較大，三角形單元邊長為10 km左右。在外框及接觸單元邊界，為保證計算精度，網(wǎng)格較為稠密，三角形單元邊長甚至小于1 km。從塊體內(nèi)部到外框及接觸單元邊界，網(wǎng)格尺寸均勻過渡，無畸形網(wǎng)格，共劃分出144545個單元，292711個結(jié)點。圖3所示為新近紀末期網(wǎng)格劃分后加載邊界條件的有限元模型。

圖3 新近紀末期加載邊界條件的數(shù)學模型Fig.3 Mathematic model with boundary conditions of the Late Neogene

表2 塔中隆起中下奧陶統(tǒng)各時期主應力大小與方向①Table 2 Value and direction of the principal compressive stress in the Middle-Lower Ordovician of the Tazhong uplift

研究表明，塔里木盆地南緣構(gòu)造活動對塔中古隆起構(gòu)造的形成與發(fā)展起了重要的控制作用，寒武紀－奧陶紀，庫地洋向塔里木板塊俯沖，并于志留紀與塔里木大陸碰撞，形成庫地縫合帶，二疊紀古特提斯洋沿康西瓦－瑪沁向北緣俯沖產(chǎn)生昆侖晚古生代島弧，并于二疊紀末－三疊紀初受到甜水海地體碰撞，始新世印度板塊與歐亞板塊碰撞，并持續(xù)向北推擠(賈承造，1997)。受一系列塔里木盆地南緣構(gòu)造活動的影響，模擬時外力載荷從模型的南部邊界施加。邊界外力的大小和方向主要根據(jù)前人研究塔里木盆地所得出的應力場(丁原辰，1996;王喜雙等，1997;曾聯(lián)波，2005)。在給模型南部邊界施加不同時期載荷時(表2)，保持模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)及車爾臣－星星峽東南邊界相對位置不變，根據(jù)主應力方向，將南部邊界旋轉(zhuǎn)一定的角度，并從南部邊界節(jié)點上施加垂直于南部邊界的對應于模擬時期的最大主應力載荷(圖4)。塔中隆起北部為滿加爾凹陷，構(gòu)造變形相對簡單，地層平緩，模型北部設置為法向、切向位移全約束;模型東南以車爾臣－星星峽走滑斷裂為界，設定為法向位移全約束，切向自由邊界，以此模擬斷裂的走滑特性。塔中隆起以西為巴楚隆起，巴楚隆起有著與塔中隆起近乎相同的變形程度，故模型西部設置為自由邊界。

3 模擬結(jié)果分析與討論

對上述加載不同邊界條件的數(shù)學模型在ANSYS中求解，在后處理模塊中可得到四個不同時期(中奧陶世末、中泥盆世末、三疊紀末、新近紀末)最大主壓應力、最小主壓應力、最大剪應力較清晰的應力分布云圖，其中中奧陶世末的模擬結(jié)果見圖5、6、7。

圖4 中奧陶世末邊界條件加載示意圖Fig.4 Sketch map showing the assumed boundary conditions in the end of Middle Ordovician

模擬結(jié)果顯示，構(gòu)造應力場沿斷裂呈條帶狀分布，在斷裂末端、轉(zhuǎn)折部位及斷裂交叉處易形成應力場富集。

中奧陶世末最大主壓應力模擬結(jié)果顯示，塔中地區(qū)東、南、西三個方向上形成環(huán)繞塔中隆起的最大主壓應力高值區(qū)，最大主壓應力高值帶呈北北東向或北東東向展布，隆起內(nèi)部相對較低，塔中Ⅰ號、Ⅱ號、10井、22井南斷裂帶附近更低，形成沿斷裂帶北西－北西西走向低值分布條帶，塔中Ⅰ號斷裂帶位于最大主壓應力最低區(qū)。斷裂帶的西部傾末端都為最大主壓應力集中點，且上盤比下盤最大主應力高。塔中隆起的東段與車爾臣－星星峽斷裂相交部位最大主壓應力分布集中，呈北東東向帶狀展布。斷裂的走向發(fā)生變化的部位，如塔中5井區(qū)、塔中9井區(qū)最大主壓應力相對較高。中泥盆世末－新近紀末，塔中隆起的斷裂構(gòu)造雖然沒有活動或活動很弱，但在不同方向的擠壓應力場作用下，其最大主壓應力分布類似，東部以北東走向應力集中帶為特征，隆起區(qū)為北西向低應力集中區(qū)。

圖5 中奧陶世末構(gòu)造應力場最大主壓應力模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of the maximum compressive principal stress in the end of Middle Ordovician

圖6 中奧陶世末構(gòu)造應力場最小主壓應力模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of the minimum compressive principal stress in the end of Middle Ordovician

圖7 中奧陶世末構(gòu)造應力場最大剪應力模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of the maximum shear stress in the end of Middle Ordovician

不同時期的最小主壓應力等值線與斷裂的展布方向一致，沿斷裂帶呈條帶狀高值分布，在斷裂的上盤是張應力高值區(qū)，易形成張裂縫，在斷裂走向發(fā)生變化和斷裂的傾末端也是張應力高值區(qū)，是張裂縫發(fā)育的重要構(gòu)造部位。東部的走滑斷裂對最小主壓應力的影響與最大主壓應力相比明顯減弱。

最大剪應力的分布與最大主壓應力和最小主壓應力的分布呈現(xiàn)類似規(guī)律，斷裂的端點部位和走向發(fā)生變化的部位是剪應力高值分布區(qū)。在塔中地區(qū)西部形成北北東向剪應力高值區(qū)，在走滑明顯的斷裂附近剪應力偏高。中奧陶世末斷裂的上盤最大剪應力高，下盤相對較低。中泥盆世末、三疊紀末和新近紀末的最大剪應力分布與中奧陶世有些差異，如在Ⅰ號斷裂帶下盤的最大剪應力較上盤高。

車爾臣走滑斷裂對最大主壓應力的影響作用最強，對最小主壓應力影響作用最弱。中奧陶世末與后三期模擬結(jié)果相比，因為還沒形成北東向斷裂，在塔中22井南斷裂以南，最大主壓應力高于后三期，最小主壓應力低于后三期。隨不同時期邊界外力方向的變化，各主應力高值區(qū)略有變化;由中奧陶世末到新近紀末邊界外力大小遞減，模擬對應期次的構(gòu)造應力場大小亦隨之遞減。

在模型受邊界擠壓應力作用下，分析模型內(nèi)部最大主壓應力分布圖，可以發(fā)現(xiàn)最大主壓應力沿斷裂帶呈條帶狀低值分布，而且在不同時期塔中Ⅰ號斷裂帶都無一例外地處于最大主壓應力最低區(qū)。該模擬結(jié)果與對該區(qū)進行的流體勢能場分析結(jié)果一致。結(jié)合構(gòu)造應力場與流體勢能場分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流體高勢能區(qū)大多位于高壓應力區(qū)，而低勢能區(qū)常常與低壓應力區(qū)對應，說明構(gòu)造應力場對流體勢能場具有直接的影響作用，高壓應力和低壓應力分別是形成高勢能區(qū)和低勢能區(qū)的必要條件。而油氣運聚是由高壓應力區(qū)運移到低壓應力區(qū)并聚集成藏(王喜雙等，1997)。因此，塔中隆起的斷裂發(fā)育區(qū)始終是油氣運移的有利指向區(qū)，塔中Ⅰ號斷裂帶始終處于最大主壓應力最低區(qū)可能也是塔中Ⅰ號斷裂帶油氣富集的原因之一。

致謝:在研究過程中曾得到中國鐵道科學研究院鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心方興助理研究員的幫助和支持，在此表示感謝!同時感謝審稿專家和編輯部老師提出的寶貴意見和建議!

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Numerical Simulation of the Tectonic Stress Field in the Tazhong Area

QIU Dengfeng，ZHENG Menglin，ZHANG Yu and ZHANG Zhongpei
(Laboratory of Structural and Sedimentological Reservoir Geology，SINOPEC Petroleum Exploration＆Production Research Institute，Beijing100083，China)

The research of tectonic stress field is theoretical important and practical significant for petroleum migration and accumulation，reservoir characteristics description and crack formation analyses.The widely-used finite element analysis software(ANSYS)was applied to simulate tectonic stress field of the end of Middle Ordovician，Middle Devonian，Triassic and Neogene，based on the characteristics and evolution history of faults combined with well drilling data in the Tazhong uplift，with emphasis on the Middle-Lower Ordovician limestone.When faults are concerned，the discontinuous contact algorithm was selected to simulate the kinematic and dynamic characteristics of faults，which was also preferred by previous researches，and indeed discontinuous model is a better choice for fault modeling.On the base of structural analysis，the faults were divided into two stages，and two geological models were established.In the four tectonic events，different boundary conditions were imposed.The research indicates that the maximum compressive principal stress，which was affected markedly by the eastern strike-slip fault named Cherchen-xingxingxia，presents strip-shaped and low-value distribution along faults zone in uplift area.Tazhong 1stfault always had the minimum value of the maximum compressive principal stress in all of the tectonic stages，which reflects the Tazhong fault zone-especially the 1stfault-was a well-directed area for hydrocarbon migration.The minimum compressive principal stress was banded in high-value along faults zone.The hanging wall of fault was the high-value area of tensile stress and easy to form tensile cracks.The turn and the end of the faults were also the high-value area of tensile stress and important structure position of tensile cracks development.The effect on the minimum compressive principal stress and maximum shear stress was weakened from Cherchen-xingxingxia strike-slip fault.

Tazhong;tectonic stress field;finite element;numerical simulation;discontinuous

P554;TE121.2

A

1001-1552(2012)02-0168-008

2011－08－15;改回日期:2011－11－07

項目資助:國家科技重大專項“海相碳酸鹽巖油氣資源潛力、富集規(guī)律與戰(zhàn)略選區(qū)”(2008ZX05005-001-001)、中國石化科技部“塔里木臺盆區(qū)構(gòu)造演化對油氣成藏控制研究”(P06019)項目資助。

邱登峰(1983－)，男，助理工程師，構(gòu)造地質(zhì)及油氣地質(zhì)。Email:qiudf.syky@sinopec.com