商琳，劉曉涵，吳海濤，馬曉麗，鄒娟

(1.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004; 2.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，武漢 430074)

基于構(gòu)造應力場數(shù)值模擬的復雜斷塊油藏低級序斷層預測
——以南堡凹陷M區(qū)為例

商琳1，劉曉涵2，吳海濤1，馬曉麗1，鄒娟1

(1.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004; 2.中國地質(zhì)大學(武漢)資源學院，武漢 430074)

針對低級序斷層地震資料的多解性，通過構(gòu)造解析，在確定低級序斷層發(fā)育時期和構(gòu)造背景的基礎(chǔ)上，對南堡凹陷M區(qū)館陶期構(gòu)造應力場進行了數(shù)值模擬;并以巖石破裂準則為依據(jù)，用最小主應力解釋了低級序斷層的優(yōu)勢發(fā)育地區(qū)，用平面剪應力解釋了低級序斷層的優(yōu)勢走向，用剖面剪應力解釋了低級序斷層的優(yōu)勢視傾向，預測了低級序斷層的發(fā)育規(guī)律。研究結(jié)果表明，南堡凹陷M區(qū)三級斷層活動具有明顯的分段性和分期性特點;在區(qū)域性南北向拉張和火山噴發(fā)造成的局部拱升的共同作用下，研究區(qū)中部為東一段低級序斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)，發(fā)育近北西走向和近北東走向兩組低級序斷層，東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級序斷層，西部主要發(fā)育一組近北西走向低級序斷層，斷層視傾向以北傾為主。

構(gòu)造應力場;復雜斷塊;低級序斷層;南堡凹陷

0 引言

南堡凹陷斷層組合樣式多樣，應力場多變，屬于典型的復雜斷塊油田。低級序斷層的精細識別對南堡油田精細開發(fā)至關(guān)重要，但南堡油田現(xiàn)有地震資料品質(zhì)低，地震識別低級序斷層的難度大。加強地質(zhì)預測研究，指導地震解釋是提高低級序斷層識別能力的有效途徑［1］。地震、測井、重力等方法在斷層識別方面存在多解性，對微小斷層識別存在一定困難，多限于解釋斷層的平面展布，而且無法從動力學機制上解釋斷層。長期以來由于對南堡凹陷內(nèi)部斷層的形成時期及發(fā)育歷史認識不清，直接影響了含油斷塊的落實程度。斷裂構(gòu)造的破裂和活動方向受形成該破裂時的構(gòu)造應力場的制約，因此通過應力場模擬可以彌補上述缺陷，進而從動力學機制上解釋低級序斷層的發(fā)育、空間展布特征。

構(gòu)造應力場數(shù)值模擬方法在建立地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，用有限元法計算各點的最大主應力、最小主應力和剪應力以及各點的主應力方向與剪應力方向［2］，根據(jù)巖石的破裂準則預測低級序斷層的有利發(fā)育區(qū)和優(yōu)勢走向。本文以南堡凹陷M區(qū)東一段為例，對低級序斷層主要發(fā)育期構(gòu)造應力場進行了數(shù)值模擬，以明確斷層的成因機制，預測低級序斷層的發(fā)育規(guī)律，用于指導低級序斷層的構(gòu)造解釋。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

南堡M區(qū)位于南堡構(gòu)造帶西部，為奧陶系潛山基底上發(fā)育起來的背斜構(gòu)造，被北東向南堡A斷層及多條近東西向斷層切割。南堡A斷層平面上呈“帚狀”，上升盤為較簡單的鼻狀構(gòu)造，傾向北西;下降盤構(gòu)造較為復雜，地層以東傾為主，被北東向、近東西向兩組斷層切割。南堡M區(qū)位于南堡A斷層的下降盤，為一個相對獨立的構(gòu)造單元，是一個被斷層復雜化的背斜構(gòu)造［3～4］。本文為了明確南堡M區(qū)構(gòu)造成因，根據(jù)斷層生長指數(shù)，分析了南堡M區(qū)主要斷層的活動特征，包括南堡A斷層以及F1—F5斷層(見圖1)。其中南堡A斷層為控制整個南堡M區(qū)的一條二級斷層;F1—F5斷層為分割斷塊區(qū)的斷層，屬于三級斷層。

圖1 南堡M區(qū)東一段斷層分布圖Fig.1 Fault distribution of E d1in M area of Nanpu sag

2 斷層特征及演化

2.1 南堡A斷層

南堡A斷層是南堡M區(qū)的主控斷層，是南堡凹陷內(nèi)主要的二級斷層，控制了南堡M區(qū)的形成和演化。斷層走向近北東，延伸21.8 km，傾向南東，傾角70°—80°;斷層斷至奧陶系潛山基底，館陶組底界斷距300～430 m，明化鎮(zhèn)組底界斷距大于200 m，斷距自西南向北東方向逐漸減小。明化鎮(zhèn)組、館陶組和沙河街組沉積時期為南堡1號斷層的主要活動時期，對沙河街組沉積具有明顯的控制作用。南堡A斷層還具有明顯的右旋活動分量，是典型的張扭性斷層［5］。

2.2 三級斷層

由南堡M區(qū)主要斷層活動性分析可知，南堡M區(qū)三級斷層具有分段性和分期性特征，不同時期斷層活動性差異明顯，同一時期同一斷層的不同部位活動性明顯不同。以F1斷層為例，F(xiàn)1斷層為近東西走向，下部斷至沙河街組，被F5斷層所截。館四段沉積時期F1斷層開始發(fā)育，館三段沉積時期斷層活動性達到最強，館二段、館一段沉積時期斷層活動性減弱，明化鎮(zhèn)組沉積早中期又開始活動，明化鎮(zhèn)組沉積末期活動性再次減弱(見圖2a)。以inline869測線、inline973測線為界，根據(jù)其斷距大小可以劃分為西段、中段和東段(見圖1)，中段斷距大，向東西兩端斷距縮小。F2—F5斷層具有相似的活動特征(見圖2)，在此不另加論述。

圖2 南堡M區(qū)三級斷層活動強度圖Fig.2 Activity of the third-order faults in M area of Nanpu sag

綜合來看，南堡M區(qū)三級斷層主要發(fā)育期為沙河街組沉積時期至東營組沉積早期，東營組沉積中晚期斷層活動性減弱甚至基本停止活動;館陶組沉積早期開始復活，館三段沉積時期斷層活動性達到最強，并派生大量低級序斷層，館陶組沉積晚期活動性逐漸減弱;明化鎮(zhèn)組沉積早中期又復活，明化鎮(zhèn)組沉積末期斷層基本停止活動。

3 斷層成因機制分析

各種地質(zhì)構(gòu)造的形成演化與巖石的力學性質(zhì)和所處的應力狀態(tài)是分不開的［6］。南堡A斷層在區(qū)域應力場的控制下形成，南堡M區(qū)三級斷層及低級序斷層的形成演化必與南堡A斷層控制下的局部應力場分布有著密切聯(lián)系。通過構(gòu)造解析認為東一段的低級序斷層主要在館陶組沉積時期發(fā)育，為確定東一段三級斷層及低級序斷層的成因機制與分布規(guī)律，就需要了解在南堡A斷層先存條件下館陶組沉積時期應力場分布特征，并根據(jù)巖石的破裂準則預測斷層的發(fā)育規(guī)律。本文采用應力場數(shù)值模擬方法建立古地質(zhì)模型，通過合理的約束及加載，模擬在南堡A斷層存在的條件下南堡M區(qū)館陶組沉積時期構(gòu)造應力場的分布特征，從而對區(qū)內(nèi)三級斷層及低級序斷層的形成給出一個合理的解釋并進行預測。

3.1 應力場數(shù)值模擬

應力場模擬主要采用有限單元法，基本思路是將一個地質(zhì)體離散成有限個連續(xù)的單元，單元之間以節(jié)點相連，每個單元內(nèi)賦予其實際的巖石力學參數(shù)，根據(jù)邊界受力條件和節(jié)點平衡條件，通過插值函數(shù)分別求出每個節(jié)點上的位移，進而計算每個單元內(nèi)的應力和應變值［7］。

南堡M區(qū)在館陶期處于拗陷階段，主要受到近南北向拉張［5，8～9］，同時由于館陶組沉積時期火山活動頻繁［10～11］，對東一段存在局部拱升作用，由此認為斷層發(fā)育的動力學機制為在南堡A斷層先存基礎(chǔ)上區(qū)域性南北向拉張和火山噴發(fā)造成局部拱升的共同作用。因此在模型南北邊界施加拉張應力的同時，于東一段模型底部施加一定的上拱力。通過構(gòu)造解析確定古應力場方向及斷裂演化過程之后就可以創(chuàng)建地質(zhì)模型［12～13］。由于南堡M區(qū)東一段厚度變化不大，因而可以將研究區(qū)簡化為一平板模型，根據(jù)南堡A斷層的形態(tài)建立斷層模型。

根據(jù)斷裂帶與地層中巖石強度的差異，為應力場模擬的不同區(qū)塊分別賦以不同的力學參數(shù)，參數(shù)大小的確定參照部分實驗測試的結(jié)果(見表1)［14］。在建立地質(zhì)模型及確定各項巖石力學參數(shù)的基礎(chǔ)上，即可按照古應力場的方向?qū)δＰ瓦M行加載求解，通過反復加載以尋求變形結(jié)果最接近于現(xiàn)今構(gòu)造的方式來確定古應力狀態(tài)，模擬結(jié)果見圖3—圖5。

表1 南堡M區(qū)應力場數(shù)值模擬力學參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of M area in Nanpu sag

3.2 古應力場控制下三級斷層發(fā)育規(guī)律

根據(jù)南堡M區(qū)應力場數(shù)值模擬結(jié)果，分析三級斷層的發(fā)育規(guī)律。巖石破裂的條件是巖石所受張應力超過其抗張強度或巖石所受剪應力超過其抗剪強度［15］，由此認為影響南堡M區(qū)三級斷層發(fā)育的主要控制因素是最小主應力和剪應力，因而重點從最小主應力和剪應力的分布來探討三級斷層的成因。南堡M區(qū)最小主應力以張應力為主(正值代表張應力)，局部出現(xiàn)壓應力，不同區(qū)域應力大小差異明顯，呈不均勻分布，張應力高值區(qū)恰好對應著三級斷層主要發(fā)育區(qū)(見圖3)，表明最小主應力控制了三級斷層發(fā)育的位置和密集程度。

南堡M區(qū)剪應力分布具有明顯的分區(qū)性，南堡A斷層南東盤以左旋剪應力為主(正值代表左旋)，而在M區(qū)東部遠離南堡A斷層區(qū)域以右旋剪應力為主。根據(jù)應變橢圓分析，在南北向拉張條件下容易產(chǎn)生圖示兩組剪切作用力，受剪應力作用形成了南堡M區(qū)的共軛斷裂體系。其中，南堡A斷層南東盤為左旋剪應力，在此剪應力作用下主要發(fā)育一組北西走向斷層;東部遠離南堡A斷層區(qū)域為右旋剪應力，在此剪應力作用下主要發(fā)育一組北東走向斷層;中部為剪應力分布的過渡區(qū)域，剪應力旋向變化較快，因此這一區(qū)域北西走向斷層和北東走向斷層發(fā)育程度相當(見圖4)。這與南堡M區(qū)構(gòu)造解釋的三級斷層平面展布規(guī)律基本一致，由此說明剪應力的分布控制著三級斷層的平面展布規(guī)律。

圖3 南堡M區(qū)最小主應力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Theminimum principal stress of M area in Nanpu sag

圖4 南堡M區(qū)平面剪應力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 The plane shear stress of M area in Nanpu sag

4 低級序斷層發(fā)育規(guī)律預測

4.1 平面展布規(guī)律預測

圖5 南堡M區(qū)剖面剪應力數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 The vertical shear stress of M area in Nanpu sag

根據(jù)格里菲斯破裂理論，當張應力超過巖石的抗張強度時，巖石就會張性破裂形成正斷層，張應力越大，巖石的張性破裂程度越強，正斷層的發(fā)育程度也越強［16］。南堡M區(qū)東一段在館陶期最小主應力以張應力為主，具有形成正斷層的應力條件。張應力高值區(qū)位于研究區(qū)中部，屬于低級序斷層的優(yōu)勢發(fā)育部位，向周圍張應力數(shù)值減小，斷層發(fā)育程度減弱。根據(jù)最小主應力分布特征將南堡M區(qū)低級序斷層發(fā)育程度劃分為4個等級(見圖6)。受平面剪應力分布的控制，兩組斷層的發(fā)育程度通常不同，左旋平面剪應力環(huán)境中具有左旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高，而在右旋平面剪應力環(huán)境中具右旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高［17～18］。由此預測南堡A斷層南東盤容易派生近北西走向低級序斷層，東部主要發(fā)育近北東走向低級序斷層，中部兩組走向斷層發(fā)育程度相當。

4.2 剖面發(fā)育規(guī)律預測

剖面上低級序斷層發(fā)育規(guī)律的預測主要通過對剖面上剪應力的分布及剖面應變橢圓的分析來進行［19］。南堡M區(qū)南北向剖面剪應力主要為左旋(見圖5，正值代表左旋)，根據(jù)剖面應變橢圓分析，該剪應力條件下主要發(fā)育視傾向為北傾的低級序斷層，這與地震解釋情況(見圖7)一致。

綜合最小主應力與剪應力的分析結(jié)果，南堡M區(qū)低級序斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域主要在中部，可以發(fā)育近北西走向和近北東走向兩組低級序斷層;東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級序斷層;西部靠近南堡A斷層一側(cè)主要發(fā)育一組近北西走向低級序斷層。這些斷層視傾向都以北傾為主，這與構(gòu)造解析結(jié)果基本一致，說明館陶期的最小主應力和剪應力共同控制了南堡M區(qū)東一段低級序斷層的發(fā)育，可以將這一預測結(jié)果應用到低級序斷層的地震解釋中。

5 結(jié)論

南堡M區(qū)三級斷層具有分段性和分期性特征，三級斷層主要發(fā)育期為沙河街組沉積時期至東營組沉積早期，東營組沉積中晚期斷層活動性減弱甚至基本停止活動，館陶組沉積早期開始復活，館三段沉積時期斷層活動性達到最強，并派生大量低級序斷層，館陶組沉積晚期活動性逐漸減弱，明化鎮(zhèn)沉積早中期又復活，明化鎮(zhèn)組沉積末期斷層基本停止活動。

圖6 南堡M區(qū)東一段低級序斷層發(fā)育程度預測圖Fig.6 The lower order faults forecastmap of E d1in M area of Nanpu sag

圖7 南堡M區(qū)inline849測線構(gòu)造解釋方案Fig.7 Structural interpretation scheme of inline849 in M area of Nanpu sag

南堡M區(qū)館陶期最小主應力以張應力為主，局部出現(xiàn)壓應力，不同區(qū)域應力大小差異明顯，呈不均勻分布，張應力高值區(qū)位于中部，向兩側(cè)逐漸減小。南堡A斷層南東盤以左旋剪應力為主，東部遠離南堡A斷層區(qū)域以右旋剪應力為主，中部剪應力旋向變化較快，為剪應力分布的過渡區(qū)域。

南堡M區(qū)東一段低級序斷層的發(fā)育主要受控于最小主應力和剪應力的分布。在區(qū)域性南北向拉張與局部火山噴發(fā)造成的局部拱升的共同作用下，南堡M區(qū)低級序斷層主要在中部發(fā)育，為近北西走向和近北東走向兩組低級序斷層，東部主要發(fā)育一組近北東走向的低級序斷層，西部靠近南堡A斷層一側(cè)主要發(fā)育一組近北西走向低級序斷層，斷層視傾向以北傾為主。

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FORECAST OF LOWER ORDER FAULTS IN COMPLEX FAULT BLOCK RESERVOIRS BY NUMERICAL SIMULATION OF TECTONIC STRESS FIELD:TAK ING M AREA IN NANPU SAG AS AN EXAMPLE

SHANG Lin1，LIU Xiao-han2，WU Hai-tao1，MA Xiao-li1，ZOU Juan1

(1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Jidong Oilfied Company，Tangshan 063004，Hebei，China; 2.School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

The tectonic stress field of Guantao formation is simulated based on the confirmation of development period and tectonic setting about lower order faults．According to the failure criterion of rock，the favorable development regions of the lower order faults are analyzed through theminor principal stress，the favorable directions are discussed by the plane shear stress，and the tendencies are analyzed by the vertical shear stress．The activity of the third faults in M Area of Nanpu Sag presents obvious segment and generation:Themiddle partof the above studied region is themain region of the lower order faults owing to the coefficient of the regional NSextension and the regional camber stress by paroxysmal eruption，the east part develops a set of nearly NE-trending lower fault，the west part develops a set of nearly NW-trending fault，and the apparent dip mainly presents north tendency．

tectonic stress field;complex fault block;lower order fault;Nanpu sag

P553

A

1006-6616(2016)02-0357-09

2015-12-04

中國石油冀東油田公司重大項目子課題“巖石力學特性與地應力特征研究”(KF2015A02-01)

商琳(1987-)，男，山東泰安人，博士，主要從事油氣區(qū)構(gòu)造、儲層地應力及裂縫預測方面的研究工作。E-mail:shanglinsonny@163.com