地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (1): 39-47
引用本文
翁剑桥, 曾联波, 吕文雅, 刘奇, 祖克威. 断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素[J]. 地质力学学报, 2020, 26(1): 39-47.
WENG Jianqiao, ZENG Lianbo, LYU Wenya, LIU Qi, ZU Kewei. Width of stress disturbed zone near fault and its influencing factors[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(1): 39-47.
断层附近地应力扰动带宽度及其影响因素
翁剑桥1,2,3,4, 曾联波4, 吕文雅4, 刘奇4,5, 祖克威4,6    
1. 四川省科源工程技术测试中心, 四川 成都 610091;
2. 页岩气评价与开采四川省重点实验室, 四川 成都 610091;
3. 自然资源部复杂构造区页岩气勘探开发工程技术创新中心, 四川 成都 610091;
4. 中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249;
5. 吉林油田勘探开发研究院, 吉林 松原 138000;
6. 中石化中原油田分公司勘探开发科学研究院, 河南 郑州 450018
摘要:在建立正断层模型的基础上,利用三维有限元数值模拟方法研究了断层附近地层中的地应力变化规律。其结果表明,由于断层活动,在断层附近普遍发育应力扰动带;在应力扰动带范围内,地应力方向和大小发生明显的变化,断层中部附近应力值普遍较低,而断层端部的应力值通常异常增大。应力扰动带的分布范围主要受断层规模的控制,与断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态和边界应力条件等因素也密切相关。随断层长度和断距逐步增大,应力扰动带的宽度相应增加。断裂带的岩石越破碎,其岩石弹性模量越低,断层对地应力的影响宽度越大。断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直、断距与断层长度的比值越大,区域内的差应力越大,则扰动带宽度与断层规模的比值也越大。选择渤海湾盆地BZ-X油田进行验证,在建立油田实际三维地质模型基础上,根据边界应力条件,利用三维有限元方法对沙河街组二段的地应力分布进行了数值模拟计算。根据断层周围的地应力变化,确定了应力扰动带的分布范围,断层附近应力扰动带宽度的分布规律与正断层模型分析结果相一致。
关键词断层    地应力    扰动带宽度    影响因素    有限元数值模拟    BZ-X油田    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.01.004    
Width of stress disturbed zone near fault and its influencing factors
WENG Jianqiao1,2,3,4, ZENG Lianbo4, LYU Wenya4, LIU Qi4,5, ZU Kewei4,6    
1. Sichuan Keyuan Testing Center of Engineering Technology, Chengdu 610091, Sichuan, China;
2. Key Laboratory of Shale Gas Evaluation and Exploitation of Sichuan Province, Chengdu 610091, Sichuan, China;
3. Technical Innovation Center for Shale Gas Exploration and Development in Complex Structural Areas, Ministry of Natural Resources, Chengdu 610091, Sichuan, China;
4. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
5. Exploration and Development Research Institute of Jilin Oilfield Company, Songyuan 138000, Jilin, China;
6. Research Institute of Exploration and Development, Zhongyuan Oilfield Company, Sinopec, Zhengzhou 450018, Henan, China
Abstract: 3D normal fault models in a triaxial crustal stress state were established in finite element simulation software to study the characteristics of in-situ stress in the fault developed areas. Simulated data show that the disturbed zones of in-situ stress widely exist in the surrounding rocks due to the fault movement. The principle stress direction in the disturbed zones is obviously deviated from the background stress state. The stress value is lower near the middle of the faults, while the fault ends are the abnormally high stress realm. Based on the analysis results, the distribution of stress disturbed zone is mainly decided by the fault scale. Width of stress disturbed zone proportionally goes up as fault length and displacement increase simultaneously. Rock mechanism, fault strike, shape of fault plane and background stress state affect the width of stress disturbed zone by changing the ratio of width to fault length (W-L). More intensely fractured fault rock along with higher angle between fault strike and background maximum horizontal principle stress direction, greater ratio of fault displacement to fault length (D-L), larger differential stress, leads to higher W/L value. The conclusions are verified in BZ-X Oilfield, Bohai Bay Basin. Building a 3D geologic model on the basis of actual structure relief and regional stress state, the in-situ stress in 2nd member of Shahejie Formation was calculated with the finite element method. The distribution of stress disturbed zones near faults is made clear by analyzing variation of in-situ stress state in surrounding rocks. The width of stress disturbed zones changes regularly as predicted in the law above. Both stress value and orientation, is notably changed in disturbed zones, which could affect artificial fracture propagation and well pattern deployment significantly.
Key words: faults    in-situ stress    width of stress disturbed zone    influencing factors    finite element numerical simulation    BZ-X Oilfield    
0 引言

地应力是赋存于岩体中的一种应力(景锋等,2011),分为古地应力和现今地应力。现今地应力是指目前地层中应力状态,主要由上覆岩层重力、孔隙流体压力、构造应力、热应力等构成(祖克威等,2014)。油气田开发过程中,现今地应力研究在开发井网部署、地层破裂压力预测、射孔和压裂方案设计、油气井套管损坏的预测与预防、油气井防砂等方面有重要作用(李志明和张金珠,1997曾联波和田崇鲁,1998周文等,2007袁俊亮等,2012邓广东等,2013)。

现今地应力的影响因素众多,包括了断层、构造起伏、岩性、岩体结构、地层流体及温度等(朱焕春和陶振宇,1994谭成轩等,2006沈海超等,2007a秦向辉等,2012)。在远离断层的区域,沉积微相的平面展布特征是现今地应力方向和大小差异较大的原因(祖克威等,2014)。在断裂发育地区,现今地应力分布受断层的影响十分明显(Hudson and Harrison, 2000)。根据国内外大量断层附近不同部位的现今地应力实测资料,断裂附近现今地应力场被扰乱,主应力值和方位随位置不同而发生改变(Zoback and Roller, 1979Zoback et al., 1980),现今地应力场被扰乱的程度受断裂发育的复杂程度影响(黄醒春等,1998),而扰乱范围则与断裂的平面尺寸密切相关(苏生瑞等,2002)。全国13个大油区86个断块油藏近千口钻井的水力压裂测试表明,压裂缝多垂直于附近断层走向,因而最大水平主应力是垂直于附近断层的(孙宗颀等,2000孙宗颀和张景和,2004)。根据断层附近地应力场变化的数值模拟研究,断层附近地应力的变化程度与断层规模、断层方向、断层带岩石力学性质以及边界应力条件等因素密切相关(沈海超等,2007b孙礼健等,2009)。

目前对断层影响现今地应力分布的已有研究都侧重于地应力大小和方向变化的程度,而对断层影响范围研究较少。现利用三维有限元数值模拟方法,结合实测数据,对断层附近扰动带宽度及其影响因素进行分析,可为非常规油气储层和低渗透油藏压裂改造提供基础。

1 方法与模型

在油田开发和岩土工程实践当中,地应力数据只能由实际测量得到,但在断层发育的区域这些实测值往往非常分散。有限元模拟方法是将地质体划分为有限个彼此相连的单元,各个单元之间以面或者线接触,利用函数对各单元分别求近似解,最后把这些单元的近似解相结合,可获得地应力在三维空间内的连续的分布特征。

断层成因的Anderson模式认为,正断层形成时垂向应力σV为最大主应力(王珂和戴俊生,2012),最大水平主应力σH方向与断层走向一致。断层形成后的较长的地质时期内,地应力方向则可能发生一定程度的变化(孙宗颀等,2000孙宗颀和张景和,2004)。受岩体内摩擦角的影响,正断层倾角相比逆断层较大,考虑到断层在平面上的延伸可以从几米到上千米不等,且断距D和断层长度L存在一定的比例关系,D/L分布在0.001~1区间内(Torabi and Berg, 2011)。在ANSYS软件中以1个单位长度代表 1 m,据此设计平面延伸长度200 m、断距1 m、倾角60°的初始正断层几何模型(图 1),其中黑色部分为断层面,上盘和下盘地层厚10 m用白色标识,灰色部分为上覆和下伏地层。三轴力学实验数据显示,断层岩体和正常岩体为两种不同强度的力学介质,具有不同的应力-应变特征和物理性质,故采用弱介质模型描述、处理断层岩体。参照已有研究经验将正常岩体杨氏模量E2的40%~70%、泊松比V2增加0.02作为其力学参数,且断层越发育其杨氏模量E1越小,泊松比V1就越大(陈波和田崇鲁,1998宋胜利等,2004)。为方便模型加载并消除边界效应的影响,将初始正断层模型用一个规则尺寸数倍于它的立方体包裹,在立方体的两组侧面分别施加最大水平主应力σH和最小水平主应力σh立方体的顶面则是垂向应力σV为85 MPa(由于正断层模型厚度较小,三个方向的主应力梯度忽略不计),以此模拟真实地层条件,并将立方体底面进行法向约束,使得模型总体上没有平移和转动,满足有限元分析的基本要求,可运算得到收敛的解答。

图 1 三维正断层模型 Fig. 1 3D normal fault model

为进行对比分析,在初始模型的基础上通过单独改变某项参数,得到其他49个不同的模型,分为5个系列(表 1)。系列1主要用于确定扰动带宽度与断层规模的关系,系列2~5则分别研究断层面形态、走向、岩石力学性质和边界条件的影响。由于所有模型均未涉及到邻近或相交的多条断层组合相互影响和单条断层发生弯折的情况,且模型参数与自然界中具体的某条断层会有差异,此研究成果在应用时需要结合地质条件做一定的调整。

表 1 断层模型参数 Table 1 Fault model parameters
2 断层附近应力分布规律

三维有限元数值模拟得到断层附近的最大水平主应力状态(图 2a),分别统计了初始模型中断层中部A-A′和端部B-B′两条垂直于断层走向的剖面上各点最大水平主应力值σH与到断层的距离如图 2b所示。可以看出σH与空间位置密切相关,断层端部附近的各点σH均大于65 MPa,且σH随距离增大而逐渐减小;断层中部附近σH均小于65 MPa,且距断层越远则σH越大;在离开断层较远以的地方,围岩中的最大水平主应力值σH又逐渐向65 MPa收敛,与边界应力条件一致。这反映了断层周围地应力状态变化的复杂性,而不仅是简单的增大或减小。

图 2 围岩中应力状态 Fig. 2 In-situ stress state in surrounding rocks

水平主应力的方向在断层附近均表现出与边界应力条件相比发生了不同程度偏转的特征,与断层走向也不一致(图 2c)。偏转的角度从0~90°范围都有出现,断层端部周围的主应力方向变化最为剧烈。这种变化同样是局限于断层附近一定范围内,足够远处的主应力方向已恢复至与边界应力条件趋于一致。

水平主应力值和方向的变化程度则受到多种因素共同影响,表现为断距越大,断层走向与水平主应力方向夹角越接近45°,断层岩石越破碎,差应力越大,则断层附近围岩中的地应力状态变化越明显。

3 地应力扰动带宽度

当前的工程实践中,应力场数值模拟误差控制在10%以内时已基本满足精度要求(付玉华等,2009)。文中为方便研究,将地应力扰动带定义为应力值变化幅度超过边界应力条件的5%或方向偏转在5°以上的区域,用断层中部单侧的扰动带宽度来表示围岩中受到断层影响的区域大小。通过软件导出节点坐标及其主应力值和方向,得到了系列1—5模型中断层的扰动带宽度并进行分析。

初始模型中,扰动带宽度W为7 m,距断层7 m以外围岩中的应力特征与边界应力条件基本保持一致,可认为没有受到断层的影响。如图 3a(纵坐标为扰动带宽度W,横坐标为断距D,虚线为不同断层长度L)所示,断层长度L和断距D增加,代表了断层规模的逐步扩大,而扰动带宽度W也同步变化。它们表现出明显的线性正相关特征,可用公式表示如下。

图 3 断层附近地应力扰动带宽度变化规律 Fig. 3 Variation rule of fault disturbed zone's width
$\left\{\begin{array}{l}0.018<W / L<0.068 \\ 0.068<W / D<18 \\ 0.001<D / L<1\end{array}\right. $ (1)

由于D/L的区间为0.001~1(Torabi and Berg, 2011),因此D/L=0.001和D/L=1所对应两条线之外的灰色区域为空。上世纪国内外学者分别在圣安德烈斯断层和郯庐断裂带附近进行了应力值的实测(Zoback and Roller, 1979Zoback et al., 1980李方全和刘光勋,1986),结果显示断层中部附近的地应力值小于围岩,且距断层越远则应力值越大。其中圣安德烈斯断层长1287 km,附近约22 km内的地应力值都受其影响而偏小,郯庐断裂带长度超过3000 km,其单侧的影响宽度约为100 km,二者扰动带宽度和断层长度的关系均满足上述规律。

根据重庆酉阳地区断层实测数据及国外学者的大量断层实测数据,绘制了图 3b,发现绝大部分数据点均分布在图 3aD/L=0.001和1对应两条线所限定的范围中。此次研究主要针对正断层进行,而图中实测数据还包括了逆断层和走滑断层,因此有少量断层落在了灰色区域内;实测断层的走向和边界应力条件等与此次的模型参数也有一定差异,这些因素将会在下文中进一步分析。

4 断层附近应力的影响因素

断裂带的岩石力学性质、断层走向、断层面形态特征和边界应力条件会影响扰动带内主应力值和方向的变化程度,同样也会影响扰动带的范围。

4.1 断裂带岩石力学性质

杨氏模量E和泊松比V是表征岩体力学性质的两个重要的参数。杨氏模量的变化能对扰动带宽度产生很大影响(图 4a),随着断层内外岩体杨氏模量的比值E1/E2增加,扰动带宽度与断层长度的比例系数W/L迅速减小,即如果断层岩石越软弱破碎那么围岩中应力扰动带分布范围就越大。而当E1/E2大于0.35后,W/L已减小为0,表明如果断层岩石与围岩的力学性质相差不大时,围岩中应力状态受到断层影响的部分很小,甚至已经无明显影响。

图 4 断层附近地应力扰动带宽度的影响因素 Fig. 4 Controlling factors of fault disturbed zone's width

然而泊松比V不是影响断层附近地应力状态和扰动带分布的敏感因素。不管断层内外岩体泊松比的比值V1/V2如何变化,围岩中地应力状态基本都保持稳定,扰动带宽度也只有很小程度的波动,几乎可以忽略。

4.2 断层走向

当断层走向沿区域的最大水平主应力方向时,夹角θ为0,围岩中的应力状态与边界应力条件接近,受断层影响很小,扰动带几乎不存在。而断层走向与区域最大水平主应力方向斜交,特别是θ为45°左右时,围岩中的应力值的变化最为剧烈,应力方向也一定程度的偏转,扰动带宽度Wθ增大而快速增长。当断层走向垂直于区域最大水平主应力方向,夹角θ为90°,尽管此时围岩中的应力值变化都不太大(但变化幅度大于5°),且最大水平主应力方向几乎发生了90°偏转,与断层走向平行,受断层影响的范围也最大。

最终扰动带宽度和断层长度的比值W/L与夹角θ的关系如图 4b,随夹角θ的增加,W/L值先是缓慢增加;θ超过20°后,W/L上升很快,在45°附近W/L的变化速率最大。当θ为90°,即断层走向垂直区域最大水平主应力时,扰动带宽度达到最大。

4.3 断层面形态

断层长度与断距的比值D/L可以表示断层面形态特征:断层长度越大,断距越小,D/L值就越小,此时断层面表现为狭长的条带状;反之D/L值越大,断层面则短而深。

图 4c所示,W/L值与D/L值呈现出对数形式的正相关关系。随着D/L从0.001增加至1,W/L的值也不断改变,其分布区间为0.018~0.068。具体的变化规律如下:

$W / L=0.0073 \ln (D / L)+0.0682 $ (2)

因此,在断层规模接近的情况下,断层面越狭长,地应力扰动带的分布范围反而越小。

4.4 边界应力条件

边界应力比σH/σh同样能影响W/L值的大小,差应力越大时,σH/σh越大则W/L值也越大,在断层长度一定的情况下扰动带范围就越大(图 4d)。当σH/σh值接近1时,即如果差应力很小,扰动带宽度也很小。

这是因为断层的影响相当于在区域背景应力条件下给围岩叠加了一个由断层诱导产生的应力,从而改变围岩中的应力大小,如果这个叠加的应力足够大能够克服初始的差应力,那么水平主应力方向就产生会明显的偏转。

5 实例

BZ-X油田位于渤海南部海域,区域构造位置属于渤海湾盆地渤中拗陷,最大水平主应力为北东东—南西西方向,区内构造走向以东—西向和北东向为主,发育多条互相切割、形态复杂正断层,产生网状断裂构造体系(徐守余,2004)。沙河街组二段为辫状河三角洲和扇三角洲沉积,岩性以细砂岩和砂砾岩为主,是主要的产油层。孔隙度平均值小于20%,平均渗透率小于50×10-3 μm2,具有典型的低渗透储层特征;且天然裂缝发育程度不好,水力压裂改造是重要的增产措施(廖新武等,2015)。而地应力是油田开发中开发井网部署、注水管理和压裂改造等方面重要的地质依据(陈凤等,2006万晓龙等,2009),因此获取井点及井点之间的地应力状态、明确断层附近的地应力变化情况十分重要。

综合考虑沙二段地层厚度、深度数据和整体构造起伏特征建立符合实际情况的三维地质模型。以大量岩石力学实验数据为基础,结合沉积微相和断层在平面上的展布范围,对模型的不同部分赋予不同的力学参数(王金铎等,2019田鹤等,2019),岩石密度取平均值2.5 g/cm3,划分出十万个以上的网格。根据渤海湾盆地震源机制解和部分井点的水力压裂数据,分析得到区域最大水平应力优势方位为75°,水平方向两个主应力梯度分别为0.02 MPa/m、0.016 MPa/m,以此作为模型水平方向上的载荷;垂向上由岩石自重产生载荷,模型底面进行法向约束,得到用于计算的数值模型。以井点的地应力实测数据为约束条件验证模拟结果,不断对模型中的力学参数、密度数据以及边界条件等参数进行微调,直至模拟结果与实测数据相吻合。由此获得了BZ-X油田在沙二段三维空间内准确、连续分布的现今地应力数据。

在构造起伏、沉积微相和断层的共同作用下,部分区域的地应力状态发生了明显变化。为进一步研究断层对地应力的影响,必须要将构造起伏和沉积微相的作用排除。因此对之前的数值模型进行修改,不再将断层作为弱介质处理,而是视为围岩的一部分,同时适当降低两侧地层的构造落差,得到忽略所有断层情况下的数值模型。在前次模拟的各种模型参数条件下,重新计算得到无断层情况下储层的地应力分布状态。

分别导出真实地层模型和无断层模型中各节点坐标及地应力数据,进行对比分析,最终确定了受断层影响导致的地应力变化程度以及地应力扰动带范围(图 5)。地应力扰动带环绕在断层外围,断层的转折和交叉部位以及端部附近扰动带明显变宽;临近的多条断层相互影响也会使得扰动带分布范围异常扩大。

图 5 BZ-X油田沙二段断层附近地应力扰动带平面分布图 Fig. 5 Horizontal distribution of fault disturbed zones in Es2, BZ-X Oilfield

在各条断层中部附近量取地应力扰动带的宽度,并统计各条断层的长度、走向数据,结果如图 6所示。其变化规律表现为,扰动带分布主要由断层规模决定,断层长度越大时扰动带范围也越大;如果断层规模相近,则断层与区域主应力方向越接近垂直,扰动带的宽度就越大。基于BZ-X油田实际情况所得到的认识与文中通过正断层理论模型分析得到的结论是一致的。

图 6 BZ-X油田沙二段断层附近地应力扰动带宽度变化规律 Fig. 6 Variation rule of fault disturbed zone's width in Es2, BZ-X Oilfield

压裂施工时,水力压裂过程中人工裂缝的延伸一般垂直于最小主应力方向(万晓龙等,2009)。因此远离断层区域人工压裂裂缝的走向同区域最大水平主应力方向基本一致,即主要呈北东东—南西西向展布;而扰动带内最大水平主应力方向发生了明显变化,在该区域进行人工压裂,压裂缝走向会发生偏转,不再为北东东—南西西向。在进行该地区井网部署时,井排方向应以最大主应力方向为主,从而使油气能够有效开发。

6 结论

(1) 断层发育区域的地应力特征与空间位置密切相关。断层内部应力值最低,断层中部附近是一个相对低应力值区,端部附近应力集中现象明显。不同位置应力方向偏转可以从几度到接近九十度,总体上表现为端部大于中部。地应力大小和方向的变化均仅限于扰动带内部,远离断层后应力状态与区域背景条件一致。

(2) 应力扰动带宽度主要受断层规模的控制,越大规模的断层其附近应力扰动范围也越大,扰动带宽度W与断层长度L、断距D都表现出正相关关系,三者比列为0.018<W/L < 0.068、0.068<W/D < 18、0.001<D/L < 1。

(3) W/L值取决于断层岩石力学性质、断层走向与区域最大主应力方向、断层面形态、和边界应力条件等因素:断层岩石越破碎即E1/E2越小,断层附近的应力扰动带越宽;断层走向与区域最大水平主应力方向越接近垂直,二者夹角θ越大,W/L值越大;W/L值与D/L值呈现对数形式正相关;边界应力比σH/σh越大则W/L值也越大,而差应力较小时,扰动带宽度W会非常小。

(4) BZ-X油田沙二段正断层发育,断层扰动带内井点应力方向不再统一沿北东东—南西西方向,应力大小也变化明显。扰动带内平行最大主应力方向的井排部署更利于油气的有效开发,各井点进行人工压裂前要针对附近断层进行具体分析。

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