基于物理模擬實(shí)驗(yàn)研究地層組成對(duì)斷層結(jié)構(gòu)的影響

單亦先，勞海港

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580；2.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009）

基于物理模擬實(shí)驗(yàn)研究地層組成對(duì)斷層結(jié)構(gòu)的影響

單亦先1，勞海港2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東青島266580；2.河北聯(lián)合大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009）

地層組成對(duì)斷層結(jié)構(gòu)具有重要的影響或制約作用，基于物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同砂巖含量地層的斷層結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，純砂巖即泥巖含量為0時(shí)，斷層結(jié)構(gòu)為二元型；泥巖含量為4%～16%時(shí)，斷層發(fā)育一元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為16%～20%時(shí)，斷層發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為20%～35%時(shí)，斷層發(fā)育二元或三元型結(jié)構(gòu)，二元或三元型結(jié)構(gòu)的界線并不很明顯；泥巖含量為35%～50%時(shí)，斷層又發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為50%～100%時(shí)，斷層回歸于一元型結(jié)構(gòu)。泥巖含量與破碎帶的寬度、誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，基本上呈近似正態(tài)分布。

物理模擬地層組成泥巖含量破碎帶寬度誘導(dǎo)裂縫斷層結(jié)構(gòu)

陸相斷陷盆地中，斷層對(duì)油氣成藏的重要性不言而喻。由于斷層樣式的多樣性、運(yùn)動(dòng)的周期性及動(dòng)力機(jī)制的復(fù)雜性［1-2］，導(dǎo)致了不同斷層相關(guān)的油氣成藏的差異性。隨著油氣勘探的深入與野外踏勘的加深，斷層研究由傳統(tǒng)的面狀構(gòu)造向三維地質(zhì)體擴(kuò)展［3］，兩者對(duì)斷層發(fā)育地質(zhì)背景存在迥然不同的觀點(diǎn)。面狀構(gòu)造以充分膠結(jié)的地層為斷層形成的先決條件；三維地質(zhì)體則是斷層發(fā)育在尚未固結(jié)的沉積物或孔隙性顆粒物質(zhì)之中，復(fù)雜形變帶則是其典型的識(shí)別標(biāo)志［4］。中外學(xué)者將斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常分為斷層核和破裂帶二元結(jié)構(gòu)單位［5-7］，其中斷層核發(fā)育滑動(dòng)面、斷層巖及泥巖涂抹等，發(fā)育于斷層核外圍的破裂帶以節(jié)理密集發(fā)育為主要特征。發(fā)育于未成巖地層中的斷層核可細(xì)分為內(nèi)核帶、外核帶和混合帶［8］，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)的差異性又可分為內(nèi)破碎帶與外破碎帶［9-10］。對(duì)于斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化，Micarelli等通過(guò)對(duì)野外不同活動(dòng)強(qiáng)度的斷層進(jìn)行研究，提出斷層二元型結(jié)構(gòu)受斷層位移的影響［11］。隨著斷距的增加，斷層由不連續(xù)破碎帶向有斷層核的二元型結(jié)構(gòu)演化。Gray等對(duì)凝灰?guī)r中發(fā)育的斷層分析認(rèn)為，隨著斷距的增加，斷層由單一的斷層核向二元型結(jié)構(gòu)演化［12］。由此可以看出，斷距影響著斷層二元型結(jié)構(gòu)的發(fā)育。

斷層三維地質(zhì)體的深入研究、蓋層中的泥巖涂抹及破碎帶的發(fā)育是今后斷層相關(guān)油氣成藏研究的重點(diǎn)，而斷層結(jié)構(gòu)則是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。其中，對(duì)于尚未固結(jié)的沉積物中斷層結(jié)構(gòu)單元發(fā)育的規(guī)律性目前尚未開(kāi)展研究。筆者以尚未完全固結(jié)的砂、泥為實(shí)驗(yàn)材料，研究地層組成對(duì)斷層二元型結(jié)構(gòu)形成的影響程度。需要說(shuō)明的是，本文實(shí)驗(yàn)以中國(guó)石油大學(xué)（華東）與中國(guó)石化勝利油田分公司共建的國(guó)家十二五實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，其中王學(xué)軍等已經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的構(gòu)造變形做了詳細(xì)介紹［13］，在此不再做進(jìn)一步說(shuō)明。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

近年來(lái)，中外學(xué)者對(duì)砂泥巖地層中的斷層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析［4-9，11］，結(jié)果表明，泥、頁(yè)巖地層中多發(fā)育簡(jiǎn)單的一元型斷層結(jié)構(gòu)，而在砂、泥巖互層中多見(jiàn)復(fù)雜的二元型斷層結(jié)構(gòu)，在純砂巖地層中則以一元型斷層結(jié)構(gòu)為主。這種現(xiàn)象是否與斷層形成的物質(zhì)載體即地層有明顯的關(guān)系，為此設(shè)計(jì)了關(guān)于地層組成對(duì)斷層結(jié)構(gòu)特征的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是通過(guò)泥巖含量的增加探究斷層結(jié)構(gòu)的變化，泥巖含量從0到100%選取30個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終建立地層中泥巖含量變化與斷層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

2　地層組成對(duì)斷層結(jié)構(gòu)的影響

由于多數(shù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有相同之處，故筆者選擇不同泥巖含量中的典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，即純砂巖，泥巖含量分別為4%～20%，20%～35%和35%～100%。其中砂、泥巖的粒度約為0.3～0.4mm，泥巖采用鈉土為實(shí)驗(yàn)材料。

2.1純砂巖地層

對(duì)于純砂巖地層，在物理模擬變形完成后形成2條呈線型展布的斷層面（圖1），單條斷層相對(duì)較窄，但2條斷層組合寬度相對(duì)較大，并且縱向上基本呈直線狀延伸，表現(xiàn)為二元型結(jié)構(gòu)。在安徽巢湖、山東新汶野外純砂巖地層中，斷層同樣比較狹窄，上盤(pán)發(fā)育較少的誘導(dǎo)裂縫，下盤(pán)則基本不發(fā)育，也表現(xiàn)為二元型斷層結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，物理模擬實(shí)驗(yàn)的純砂巖地層中的斷層結(jié)構(gòu)與實(shí)際野外露頭發(fā)育的基本一致。

圖1　純砂巖地層中的斷層特征Fig.1　Faults feature in pure sandstone formation

2.2泥巖含量為4%～20%地層

選取泥巖含量為16%的地層進(jìn)行解剖。在剪切物理模擬作用下，泥巖含量為16%的地層中斷層發(fā)育較為平直的斷面（圖2），僅有局部的泥巖進(jìn)入斷層中，斷層不發(fā)育誘導(dǎo)裂縫帶。進(jìn)入斷層中的泥巖由于含量較低，并沒(méi)有形成連續(xù)的泥巖涂抹層，斷層在后期的油氣充注過(guò)程中成為溝通深部烴源巖和淺層圈閉的良好通道。這種地層組成發(fā)育的斷層在山東新汶野外剖面上呈線狀展布，斷層上、下兩盤(pán)均不發(fā)育誘導(dǎo)裂縫帶，斷層面處發(fā)育規(guī)則的破碎帶，局部?jī)H有少量的從泥巖中剮蹭下來(lái)的碎片和松散砂。模擬結(jié)果與野外觀察的共同特征是發(fā)育明顯的一元型斷層結(jié)構(gòu)。

圖2　泥巖含量為16%地層中的斷層特征Fig.2　Fault features in amodelwith shale content16%

2.3泥巖含量為20%～35%地層

繼續(xù)增加泥巖含量，斷層結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化（圖3，圖4）。當(dāng)泥巖含量達(dá)到23%時(shí)，斷層寬度明顯增加；在破碎帶邊緣發(fā)育規(guī)模不等、大小不一的裂縫。當(dāng)泥巖含量為33%時(shí)，斷層的寬度繼續(xù)增大，發(fā)育的誘導(dǎo)裂縫帶越加明顯。斷層上、下盤(pán)均發(fā)育數(shù)量不等的裂縫。當(dāng)泥巖含量增至35%時(shí)，斷層寬度逐漸減小，裂縫不規(guī)則地出現(xiàn)在斷層的上、下盤(pán)。在安徽巢湖野外相同地質(zhì)體中，斷層同樣發(fā)育明顯的二元型結(jié)構(gòu)；斷層的寬度較大，而且其寬度在縱向上并不是一成不變的，斷層的形態(tài)也有所變化，發(fā)育明顯的誘導(dǎo)裂縫帶，且上盤(pán)的裂縫數(shù)明顯多于下盤(pán)。

圖3　泥巖含量為23%地層中的斷層特征Fig.3　Fault features in amodelwith shale content23%

圖4　泥巖含量為33%地層中的斷層特征Fig.4　Fault features in amodelwith shale content33%

2.4泥巖含量為35%～100%地層

繼續(xù)增加模型的泥巖含量，當(dāng)泥巖含量為37%時(shí)，斷層的寬度比泥巖含量為35%時(shí)的有所減?。▓D5），主要發(fā)育2條規(guī)模不等的斷層；誘導(dǎo)裂縫帶也逐漸減小。繼續(xù)增加泥巖含量，在泥巖含量為60%的地質(zhì)模型中，斷層基本上呈線型面出現(xiàn)，泥巖的涂抹較為嚴(yán)重，泥巖厚度決定了涂抹長(zhǎng)度；誘導(dǎo)裂縫帶不發(fā)育。在純泥巖（即泥巖含量為100%）地質(zhì)模型中，僅有斷層面存在，斷層呈平直狀，沒(méi)有誘導(dǎo)裂縫帶出現(xiàn)（圖6）。李會(huì)軍等對(duì)實(shí)際裂縫與泥巖厚度的統(tǒng)計(jì)表明［14］，誘導(dǎo)裂縫帶隨著泥巖厚度的增大而逐漸減小，實(shí)驗(yàn)中的結(jié)論也證實(shí)了這點(diǎn)。

圖5　泥巖含量為37%地層中的斷層特征Fig.5　Fault features in amodelwith shale content37%

圖6　泥巖含量為100%地層中的斷層特征Fig.6　Fault features in amodelwith shale content100%

3　泥巖含量、破碎帶寬度對(duì)斷層發(fā)育的約束

通過(guò)模擬不同泥巖含量地層中的斷層發(fā)育情況，統(tǒng)計(jì)了泥巖含量與破碎帶寬度及誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)的關(guān)系（圖7）。結(jié)果表明，泥巖含量、破碎帶寬度與斷層結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)聯(lián)性。在泥巖含量為0時(shí)，斷層的結(jié)構(gòu)為二元型，破碎帶的寬度約為2 cm；當(dāng)泥巖含量為4%～16%時(shí)，斷層發(fā)育一元型結(jié)構(gòu)，破碎帶寬度為1 cm；當(dāng)泥巖含量為16%～20%時(shí)，斷層發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)，破碎帶的寬度為1～2 cm；當(dāng)泥巖含量為20%～35%時(shí)，斷層發(fā)育二元或三元型結(jié)構(gòu)，破碎帶的寬度為2～4.4 cm，其寬度具有逐漸由小到大、然后變小的趨勢(shì)；當(dāng)泥巖含量為35%～50%時(shí)，斷層發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)，破碎帶的寬度由3.4 cm逐漸減小到1 cm；當(dāng)泥巖含量為50%～100%時(shí)，斷層發(fā)育一元型結(jié)構(gòu)，破碎帶寬度約為0.8 cm左右。斷層中的誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)與破裂帶寬度同樣具有相似的變化特征。當(dāng)泥巖含量為0時(shí)誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)為2個(gè)；當(dāng)泥巖含量為4%～16%時(shí)誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)為0～1個(gè)；當(dāng)泥巖含量為16%～20%時(shí)誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)約為1～2.5個(gè)；當(dāng)泥巖含量為20%～35%時(shí)誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)為2.5～4個(gè)，個(gè)數(shù)變化也具有由小到大、然后變小的趨勢(shì)；當(dāng)泥巖含量為35%～50%時(shí)誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)逐漸變?yōu)?個(gè)；而泥巖含量為50%～100%時(shí)基本不發(fā)育誘導(dǎo)裂縫。

圖7　泥巖含量與破碎帶寬度、誘導(dǎo)裂縫數(shù)的關(guān)系Fig.7　The relationship among shale content，width ofdamage zone and numberof induced joints

4　結(jié)論

物理模擬結(jié)果表明，純砂巖即泥巖含量為0時(shí)斷層結(jié)構(gòu)為二元型；泥巖含量為4%～16%時(shí)斷層發(fā)育一元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為16%～20%時(shí)斷層發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為20%～35%時(shí)斷層發(fā)育二元或三元型結(jié)構(gòu)，2種結(jié)構(gòu)的界線并不很明顯；泥巖含量為35%～50%時(shí)斷層發(fā)育二元型結(jié)構(gòu)；泥巖含量為50%～100%時(shí)斷層又歸于一元型結(jié)構(gòu)。泥巖含量與破碎帶的寬度、誘導(dǎo)裂縫個(gè)數(shù)具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，基本上呈正態(tài)分布。

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編輯經(jīng)雅麗

A research on the im pactof stratigraphic com position on fault structure based on physicalsimulation experiment

Shan Yixian1，Lao Haigang2

（1.Collegeof Information and Control Engineering，China University ofPetroleum（EastChina），Qingdao City，Shandong Province，266580，China；2.CollegeofMining Engineering，HebeiUnited University，Tangshan City，HebeiProvince，063009，China）

Stratigraphic composition has an important influence or restricton faultstructure.Fault structure characteristics with different sandstone contents of strata have been researched based on physical simulation experiments.The experiments show that the fault is a binary type when the sandstone content is 100%；the fault develops into a unary typewhile the shale content is 4%-16%and a binary typewhile the shale content is 16%-20%；and itdevelops into binary or ternary typewith unclear boundarieswhile the shale content is 20%-35%；the fault isbinary type again when the shale content is 35%-50%and becomes unary typewhen shale content is 50%-100%.There is an apparentpositive correlation among the shale content，thewidth ofdamage zoneand thenumberof induced joints，which isan approximately normaldistribution.

physicalsimulation；stratigraphic composition；shale content；width ofdamage zone；induced joints；faultstructure

TE111.2

A

1009-9603（2015）02-0024-04

2015-01-14。

單亦先（1965—），男，山東濰坊人，教授，從事油氣田生產(chǎn)過(guò)程的智能監(jiān)控技術(shù)、石油專用試驗(yàn)設(shè)備研制、石油裝備檢測(cè)技術(shù)與故障診斷研究。聯(lián)系電話：18605460902，E-mail：18605460902@163.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“渤海灣盆地精細(xì)勘探關(guān)鍵技術(shù)”（2011ZX05006-003）。