包络线

包络线

包补-账目管理

2023年2月19日发(作者：汕头大学专业)

石油地质与工程

2019年1月PETROLEUMGEOLOGYANDENGINEERING第33卷第1期

文章编号：1673–8217（2019）01–0013–04

沁水盆地南部高角度正断层区应力莫尔圆

及包络线分析

白耀文1，李春生1，尹帅2

（1．延长油田股份有限公司定边采油厂，陕西榆林718600；2．西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065）

摘要：受主断裂的影响，断裂发育地区地层岩石中通常发育一系列伴生小断层及裂缝，岩石的莫尔圆及包络线均会

呈现不同的变化规律。沁水盆地南部上古生界地层中高角度及近垂直正断层极为发育，通过设计三轴应力测试实

验，对高角度正断层区进行了应力莫尔圆及包络线分析。研究结果表明，与远离断层的结构完整岩石相比，正断层

区的莫尔圆会向左移动，同时半径减小，其断面倾角(θ1)较大，与该地区上古生界地层广泛发育高角度及近垂直

正断层结果一致。对于同一应力机制条件下的正断层，θ1不随深度而发生变化。断层薄弱带为高角度正断层产生

过程中形成的一些次级小断层或裂缝发育带，岩心观察表现为破碎带，其成层性分布角度通常小于30°，其与莫

尔圆中较低的断层薄弱带倾角(θ2)一致。随着正断层断面倾角的增加，地层岩石的抗剪切破裂的强度逐渐提高。

关键词：沁水盆地;高角度正断层;应力莫尔圆;包络线

中图分类号：P313.1文献标识码：A

StressMohr'scircleandenvelopelineanalysisofhighanglenormalfaultarea

inthesouthofQinshuibasin

BAIYaowen1,LIChunsheng1,YINShuai2

(nOilProductionPlant,YanchangOilfieldCo.,Ltd.,Yulin,Shaanxi718600,China;ofEarthResource

SciencesandEngineering,Xi'anPetroleumUniversity,Xi'an,Shaanxi710065,China)

Abstract:Intheareaoffracturedevelopment,influencedbythemainfracture,aseriesofassociatedsmall

faultsandfracturesareusuallydevelopedinstratigraphicrocks,andtheMohr'scircleandenvelopelinesof

h-angleandnear-verticalnormalfaultsintheupper

earchresultsshowthat,

comparedwiththestructurallyintactrocksthatarefarawayfromthefault,theMohr'scircleofthenormal

faultdiskmovestotheleft,itsradiusdecreasesatthesametime,anditscrosssectionangle(θ1)islarger,

whichnormalfaultsunder

thesamestressmechanism,θfaultzone,therearesome

secondarysmallfaults,orfracturesformedafterthehighanglenormalfaultzonesareformed,whichare

fracturedzonesfromthecoreobservation,itslayerdistributionangleisusuallylessthan30°,anditis

consistentwiththelowerweakfaultbeltangle(θ2)intheMohr'eincreaseofthenormalfault

dipangle,theshearresistancestrengthofrockswillincreasegradually.

Keywords:Qinshuibasin;highanglenormalfault;stressMohrcircle;envelopeline

利用地质力学手段来进行野外地质体受力解剖

是构造分析的重要研究方法。两亿年来，各大陆海

岸线轮廓变化不大，且可实现较好的拼接，因而刚

性静力学分析学者认为，岩石圈为刚性块体，不发

生应变[1]。但实际上，地壳表层岩石会不断发生变形，

此与岩石应变时间的累积、岩石的流变性及地球自

收稿日期：2018–01–10

作者简介：白耀文，工程师，1984年生，2008年毕业于西

安石油大学石油工程专业，现主要从事油田开发地质工作。

基金项目：国家自然科学基金项目（41572130、41372139、

41072098）。

·14·石油地质与工程2019年第1期

转的离心力等因素有关[1–2]。破裂和变形是地质体多

彩的构造形迹的主要受力体现，同时也是构造分析

的重要研究内容[1–2]。应力莫尔圆主要基于力学及几

何学原理，可以实现对岩体内部不同方向及弱面的

应力关系的解剖，被广泛应用于不同构造区的应力

解析中[3–4]。受主断裂的影响，对于断裂发育的地区

地层岩石中通常发育一系列伴生小断层及裂缝，岩

石的莫尔圆及包络线均会呈现不同的变化规律[5]。明

确这些变化规律对提高油气钻探效率、节省钻探成

本及降低断裂带钻探风险等方面均具有重要的价值

[6]。因此，本文以沁水盆地南部上古生界地层为解剖

对象，该目的层具有较大的致密砂岩气勘探潜力，

但目前研究程度尚浅[7]。该区上古生界地层中高角度

及近垂直正断层极为发育，通过设计三轴应力测试

实验，对高角度正断层区进行了应力莫尔圆及包络

线分析，研究成果可以为致密砂岩气勘探开发提供

依据。

1研究区概况及实验测试

1.1研究区概况

研究区位于沁水盆地南部，包括郑庄区块、樊

庄区块和潘庄区块。其目的层为上古生界石炭—二

叠系，石炭系地层平均厚度约200m，二叠系地层平

均厚度约800m，上覆地层为三叠系及第四系，三叠

系地层平均厚度约250m，第四系地层平均厚度约

50m。石炭—二叠系岩性主要为碎屑岩、灰岩及多

层煤[8]。根据最新地震资料解释，认为区内主要发育

一些高角度及近垂直的正断层，以NE和NNE向为

主，少量断层方向为NW及NWW，断距较小，延伸

较短。总体上地势东南高，西北低，地垒和地堑相间

分布。

1.2三轴实验测试

三轴实验测试样品为沁水盆地南部地区二叠系

山西组致密砂岩，埋深610m。样品尺寸为25×50

mm，饱和地层盐水。实验测试为YMW–1000程控

伺服岩石刚性试验机，压力传感器测量误差小于1%，

位移分辨精度0.0001mm。对4组结构完整的岩样

分别进行了围压为5MPa、10MPa、15MPa及20MPa

的应力测试，编号分别为Q1、Q2、Q3及Q4，分析

其有效正应力与剪应力间的关系（图1），随着加载

围压的增加，应力莫尔圆逐渐向右迁移和扩张，进

而可确定出相应包络线，通过包络线确定了该岩样

的内摩擦角(φ)为46.37°。

图1完整岩样有效正应力与剪应力关系

2结果分析

2.1不同断裂带应力包络线分析

分析了不同类型断裂带岩石有效正应力与剪应

力间的关系，θ1为正断层断面倾角，θ2为断层薄弱

带的倾角，如图2所示。对于地层条件下正断层区

的莫尔圆，受断层带断面或伴生裂缝的影响，随着

σn的增加，τ出现大幅度降低，表现为莫尔圆会向

左发生移动，同时，莫尔圆的半径逐渐减小[9]。根据

莫尔圆与拟合获得的包络线间的交点可以确定θ1

（图2），θ1值较大，这与该地区上古生界地层广泛

发育高角度及近垂直的正断层结果是一致的。该地

区存在一系列不同尺度正断层，当这些正断层所受

应力机制完全相同时，θ1值是不变的，表现为共用

同一条包络线（图3）。因此，在同一应力机制作用

下，该地区断层由深到浅的产状变化不大。

图2不同断裂带岩石有效正应力与剪应力关系

此外，该地区上古生界地层中还存在一些断层

薄弱带，为高角度正断层产生过程中的次级小断层

或裂缝发育带。这些薄弱带可以在观察岩心过程中

容易识别出来，通常为“破碎带”。观察岩心结果表

明，破碎带的成层性分布角度通常小于30°。从应

力加载曲线图中也可以对这些薄弱带进行定量表征

（图2），主要表现为随着σn的增加，τ急剧降低，

白耀文等．沁水盆地南部高角度正断层区应力莫尔圆及包络线分析·15·

地层岩石抗剪切破裂的能力非常低，此时岩石θ2值

较低，与岩心观察结果一致。

图3正断层盘岩石有效正应力与剪应力关系

2.2断层角度对应力包络线的影响

该地区整体以高角度及近垂直的正断层为主，

但不同角度的正断层仍具有差异，考虑角度变化时，

地层岩石应力莫尔圆变化如图4所示。对于同一条

包络线，岩石发生破裂的强度是不变的。当原始正

断层区莫尔圆（a）向左移动时，莫尔圆半径不变，

但θa值明显大于θ1值，此时岩石抗剪切破裂的能

力明显提高；当原始莫尔圆（a）向右移动时，莫尔

圆半径不变，θb值要小于θ1值，此时岩石抗剪切破

裂的能力明显降低。该研究说明，当正断层盘的角

度逐渐增加时，岩石抗剪切破裂的能力不但没有降

低，反而提高了，这与前人对含有不同方向弱面岩

石所进行的岩石力学实验结果较为一致[10–12]。当岩

样中弱面约为30°时，岩石强度最低；随着角度的

增加，岩石强度不断增加，当约为90°时，岩石强

度达最大值[10–12]。

图4正断层盘莫尔圆移动与岩石破裂关系

本文未对该区高角度正断层的形成及演化机制

进行分析，主要由于该区正断层的形成始于燕山期，

上古生界地层最大埋深通常大于3000m[13]，具有复

杂的古应力环境，断层的形成机制极为复杂。因此，

本文仅对该区目前断裂带的实际情况进行了应力莫

尔圆及包络线研究分析，该研究对提高油气钻探效

率、节省钻探成本及降低断裂带钻探风险具有一定

参考价值。

3结论

（1）沁水盆地南部上古生界地层高角度及近垂

直正断层极为发育。应力莫尔圆及包络线分析结果

表明，与远离断层的结构完整岩石相比，正断层区

的莫尔圆会向左移动，同时半径减小，其断面倾角

(θ1)较大，与该区上古生界地层广泛发育高角度及

近垂直正断层结果一致。

（2）对于同一应力机制条件下的正断层，θ1值

不随深度变化而发生变化，因此该地区深、浅部正

断层产状变化不大。

（3）断层薄弱带为高角度正断层产生过程中形

成的一些次级小断层或裂缝发育带，岩心观察表现

为破碎带，其成层性分布角度通常小于30°，其与

莫尔圆中较低的断层薄弱带倾角(θ2)一致。

（4）随着正断层断面倾角的增加，地层岩石的

抗剪切破裂的强度逐渐提高。

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（下转第19页）

祁飞．海月构造带东三段滩坝砂分布及成藏主控因素分析·19·

海月构造带的滩坝砂主要受构造运动影响和古

地貌条件的约束，由北部的三角洲前缘砂体、南部

海月潜山物源和扇三角洲前缘砂体受波浪和沿岸流

的改造而成，水动力强则形成坝砂，水动力弱则形

成滩砂，滩坝砂平行湖岸线呈带状分布。滩坝砂油

气成藏受砂体发育规模、储层物性、断裂输导体系、

泥岩封堵性等多种因素控制，在滩坝砂体较为发育

的东三下段，靠近海南断层、盖州滩断层且封堵条

件优越的砂体最易于成藏。

图5过HN25—HN24—HN24–1油藏剖面

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编辑：蒲洪果

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编辑：黄生娣