王明文，羅綱，孫云強(qiáng)，常成

（1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079；2.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

0 引言

在油氣盆地中，鹽體與油氣的運(yùn)移、聚集、儲(chǔ)存、勘探和開發(fā)都密切相關(guān)[1-3]。全世界約80%的含油氣盆地為鹽盆地[4]，在這些盆地中都發(fā)現(xiàn)了大量石油和天然氣。膏鹽層一般并不是油氣鉆探的主要目的層段，但是由于鹽層具有極低的滲透率[5]，是油氣藏良好的蓋層，因此巨厚鹽層之下往往蘊(yùn)藏著大型油氣田，例如美國的墨西哥灣盆地、西非鹽盆地和巴西深海盆地[6]。但是，在鹽盆地中，相對(duì)于周圍的沉積物而言，鹽體的力學(xué)性質(zhì)比較特殊，具體表現(xiàn)為力學(xué)強(qiáng)度低、易于蠕變及塑性變形[5,7-8]，因此，在力平衡作用下，鹽體周圍的應(yīng)力會(huì)因?yàn)槠漯椥詰?yīng)力松弛而發(fā)生擾動(dòng)，且孔隙流體壓力也會(huì)發(fā)生變化。所以在鹽膏層鉆井，特別是在深層鹽膏層鉆井時(shí)會(huì)因地層應(yīng)力、孔隙壓力的變化而造成一些重大工程事故，如井眼失穩(wěn)、卡鉆和擠毀套管等[9]。

近年來，已有不少學(xué)者使用地質(zhì)力學(xué)方法對(duì)鹽盆地進(jìn)行建模（演化模型和靜態(tài)模型）并模擬鹽體周圍的應(yīng)力擾動(dòng)[10-11]，發(fā)現(xiàn)鹽體的幾何形狀對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)具有重要影響[12-16]；但是并沒有給出區(qū)域背景應(yīng)力場樣式（擠壓或拉張背景應(yīng)力）、鹽體的幾何形狀（突起或洼陷）與應(yīng)力擾動(dòng)的關(guān)系。本文構(gòu)建了一個(gè)擠壓構(gòu)造背景應(yīng)力背景下的靜態(tài)鹽構(gòu)造模型，模擬計(jì)算鹽盆地周圍的應(yīng)力變化，分析不同幾何形狀的鹽體所導(dǎo)致的應(yīng)力擾動(dòng)模式，同時(shí)測試鹽體起伏大小對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)大小的影響，并以塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇西剖面處的鹽體為例進(jìn)行了實(shí)際模擬計(jì)算。本研究可為擠壓型鹽盆地系統(tǒng)應(yīng)力擾動(dòng)研究及相關(guān)鉆井設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，處于塔北隆起與南天山造山帶之間，西起溫宿，東至庫爾勒[17]，東西長約500 km，南北寬20～100 km[18]。庫車坳陷在第三紀(jì)沉積了巨厚的膏鹽巖[19]，受中—晚期喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈擠壓與上覆地層載荷的差異壓實(shí)作用，形成了多種類型的鹽構(gòu)造[20]，本區(qū)域的鹽構(gòu)造由 3個(gè)部分組成，從下往上分為鹽下沉積層、膏鹽層、鹽上覆層[21]。

研究區(qū)位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶西端，其南北向水平長度為76 km，縱向深度為15 km；拜城凹陷南北兩側(cè)發(fā)育鹽底辟構(gòu)造，北側(cè)的吐孜瑪扎鹽丘北翼發(fā)育有斷層。南秋里塔格背斜和北秋里塔格背斜是兩個(gè)緊閉的箱狀褶皺，它們位于鹽丘之上，鹽丘的厚度為5～7 km；拜城凹陷上覆層厚度為6～7 km（見圖1）。

研究區(qū)鹽構(gòu)造為典型的擠壓型鹽構(gòu)造[22-26]，根據(jù)各時(shí)代地層巖石磁組構(gòu)、水壓致裂、井徑崩落等多參數(shù)實(shí)測和解釋，庫車坳陷現(xiàn)今地應(yīng)力場的最大主壓應(yīng)力方向?yàn)榻媳毕騕27]，從庫車坳陷三疊系克拉瑪依組砂巖中發(fā)育逆沖斷層可以判斷庫車坳陷構(gòu)造應(yīng)力場的中間主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，最小主應(yīng)力為垂向[28]。

2 模型設(shè)置

圖1 塔里木盆地北緣庫車坳陷主要地質(zhì)構(gòu)造及庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶以西地震剖面[17]

在自然界中單層、雙層或多層鹽構(gòu)造普遍存在，如江漢盆地江陵凹陷八嶺山—花園多層系鹽構(gòu)造、滇西蘭坪盆地鹽構(gòu)造和墨西哥灣盆地中北部的鹽構(gòu)造[29-31]。本文構(gòu)建了雙層鹽構(gòu)造模型，同時(shí)也模擬測試了單層的鹽構(gòu)造模型，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果和雙層鹽構(gòu)造模型關(guān)于鹽體幾何形態(tài)對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)的結(jié)論一致。筆者使用商業(yè)軟件建立二維平面應(yīng)變有限元模型[32]（見圖2），該模型假設(shè)鹽體為馬克斯韋線性黏彈性體[33]，沉積物為彈性固體，即無孔隙壓力；假設(shè)鹽體不滲透[13]，也沒有孔隙壓力。模型的材料參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元網(wǎng)格和邊界條件

表1 有限元模型材料參數(shù)

本研究中所使用的模型模擬深度為20 km，模型水平寬度為 45 km；模型中有上下兩層鹽體，對(duì)應(yīng)著 3種鹽體的幾何形態(tài)，分別為：左側(cè)都是突起的鹽體，中間為凹凸組合的鹽體，右側(cè)都是洼陷的鹽體。上層鹽體的平均深度約為6.5 km，下層鹽體的平均深度約為15.0 km。模型的左右兩側(cè)邊界和底部邊界都是滑移邊界：底部邊界只有水平向位移，沒有垂向位移；左右邊界只有垂向位移，沒有水平向位移。上邊界為自由邊界。為了更好地展示鹽體附近的應(yīng)力擾動(dòng)，對(duì)鹽體附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。

模型的靜態(tài)力學(xué)平衡方程為：

其中，?σij為應(yīng)力張量（i,j=1, 2, 3），ρgi為體力項(xiàng)。本研究中以擠壓應(yīng)力為正值。

模型每一步的應(yīng)變增加表示為：

其中，{dεe}和{dεv}分別表示為黏性和彈性的應(yīng)變增量[15,37]。黏性和彈性的關(guān)系由馬克斯韋爾體線性黏彈性關(guān)系確定，具體表述為：

其中，tσ是t時(shí)刻的應(yīng)力增量，{dσ}、dt分別是應(yīng)力張量增量和時(shí)間增量，Q為黏度相關(guān)的矩陣，D為彈性材料矩陣。

對(duì)于模型的背景應(yīng)力場，本文將模型的垂直應(yīng)力（σv）設(shè)置為最小主應(yīng)力σ3，水平應(yīng)力（σh）和法向應(yīng)力（σoop）分別對(duì)應(yīng)最大主應(yīng)力σ1和中間主應(yīng)力2σ。初始的垂向應(yīng)力等于上覆巖層的重力隨深度的積分，在擠壓型構(gòu)造背景應(yīng)力場下，水平應(yīng)力設(shè)置為垂向應(yīng)力的1.3倍，法向應(yīng)力設(shè)置為垂向應(yīng)力的1.1倍，即：

3 模擬結(jié)果

3.1 參考模型

本文假設(shè)了垂向、水平、法向的初始應(yīng)力隨著深度的增加而增加，所以初始的von Mises（剪應(yīng)力的三維表示，見公式（8））應(yīng)力也是隨著深度逐漸增加而增加的（見圖3a）。由于黏彈性鹽體不能承受偏應(yīng)力[12]，鹽體內(nèi)的剪應(yīng)力隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸松弛減小，并在鹽體周圍的沉積層產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)（見圖3b）。模型最終的應(yīng)力狀態(tài)（見圖3c）是初始狀態(tài)的應(yīng)力（見圖3a）與由于鹽體的黏彈性應(yīng)力松弛產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)（見圖3b）之和。本研究中擠壓應(yīng)力為正值。

圖3 參考模型不同狀態(tài)下的von Mises應(yīng)力大小變化

模型中，在鹽體突起處，水平應(yīng)力、垂向應(yīng)力和法向應(yīng)力都逐漸增加（見圖4a—4c）。水平應(yīng)力和法向應(yīng)力都是在鹽體突起的核部顯著增加，然后隨著遠(yuǎn)離突起核部，應(yīng)力擾動(dòng)開始減?。ㄒ妶D4a、圖4c）。與之不同的是，垂向應(yīng)力在鹽體突起的核部有明顯的增加（見圖4b虛線框內(nèi)），但是在距離突起核部不遠(yuǎn)的兩側(cè)，應(yīng)力擾動(dòng)突然從擠壓應(yīng)力變?yōu)槔瓘垜?yīng)力（見圖4b橢圓框）。水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力之所以如此變化，是因?yàn)橥黄鸬柠}體附近的沉積物在水平方向從兩側(cè)分別向突起的核部移動(dòng)，而在垂向上則向上移動(dòng)（見圖5a），由此產(chǎn)生了水平方向和垂向的擠壓應(yīng)變（見圖5b、圖5c）。

圖4 參考模型鹽體周圍沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)與主應(yīng)力方向

圖5 鹽體黏彈性應(yīng)力松弛在沉積物產(chǎn)生的位移變化和應(yīng)變擾動(dòng)

與鹽體突起處的應(yīng)力擾動(dòng)相反，在鹽體洼陷處，水平應(yīng)力、垂向應(yīng)力和法向應(yīng)力都會(huì)減?。ㄒ妶D4a—4c）。水平應(yīng)力和法向應(yīng)力都是在鹽體洼陷的核部減小明顯，隨著遠(yuǎn)離洼陷核部，應(yīng)力擾動(dòng)開始減小（見圖4a、圖4c）；與之不同的是，垂向應(yīng)力在鹽體洼陷的核部有微弱的拉張應(yīng)力，在垂向上遠(yuǎn)離核部一段距離后變?yōu)檩^大的拉張應(yīng)力，出現(xiàn)一個(gè)拉張應(yīng)力區(qū)域，但是在距離此拉張應(yīng)力區(qū)域不遠(yuǎn)的兩側(cè)，應(yīng)力擾動(dòng)突然從拉張應(yīng)力變?yōu)閿D壓應(yīng)力（見圖4b）。鹽體洼陷處應(yīng)力如此變化的原因在于，鹽體附近的沉積物從洼陷核部向兩側(cè)移動(dòng)，垂向上往下移動(dòng)，由此位移產(chǎn)生了水平方向和垂直方向的拉張應(yīng)變（見圖5b、圖5c）。

剪應(yīng)力的變化主要集中在鹽體幾何形狀不規(guī)則（突起和洼陷）的位置（見圖4d）。在鹽體突起左側(cè)出現(xiàn)擠壓剪應(yīng)力，右側(cè)出現(xiàn)拉張剪應(yīng)力；與之相反的是，鹽體洼陷左側(cè)出現(xiàn)拉張剪應(yīng)力，右側(cè)出現(xiàn)擠壓剪應(yīng)力；但是隨著沉積物遠(yuǎn)離幾何形狀異常鹽體，剪應(yīng)力很快減小并趨近于零。剪應(yīng)力的擾動(dòng)（見圖4d）可以由剪切變形的變化來解釋（見圖5d），例如，鹽體突起左側(cè)物質(zhì)流動(dòng)表現(xiàn)為逆時(shí)針方向（見圖5a，左側(cè)虛線框），右側(cè)為順時(shí)針方向（見圖5a，右側(cè)虛線框）。

通過將主應(yīng)力與正應(yīng)力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)（見圖4），3個(gè)主應(yīng)力與水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力的擾動(dòng)模式上（擠壓或者拉張）有很大的相似性，但大小有區(qū)別，表現(xiàn)為：水平應(yīng)力對(duì)應(yīng)最大主應(yīng)力，垂向應(yīng)力對(duì)應(yīng)最小主應(yīng)力，法向應(yīng)力對(duì)應(yīng)中間主應(yīng)力。這是因?yàn)樵谀Ｐ驮O(shè)置時(shí)確定了模型初始狀態(tài)的水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力、法向應(yīng)力為中間主應(yīng)力，垂向應(yīng)力為最小主應(yīng)力。在鹽體的應(yīng)力松弛之后，剪應(yīng)力變化最大的區(qū)域主要出現(xiàn)在鹽體起伏較大的區(qū)域附近，因此主應(yīng)力方向在鹽體突起和洼陷附近有所變化，發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，而在水平鹽層或鹽體幾何形狀變化較小的區(qū)域主應(yīng)力方向基本沒有變化（見圖4i）。

von Mises應(yīng)力在鹽體突起處增加（見圖3b左側(cè)虛線框），在鹽體洼陷處減小了（見圖3b右側(cè)虛線框）；同樣地，平均應(yīng)力也是在鹽體突起處增加，在洼陷處減?。ㄒ妶D4e）。已有研究表明，近鹽處的安全鉆井位置通常是在最小主應(yīng)力大、平均應(yīng)力大和剪應(yīng)力小的區(qū)域[34-40]。因此難以確定鹽體的突起和洼陷處是否為合適的鉆井位置，因?yàn)橥黄鹛幾钚≈鲬?yīng)力大，同時(shí)von Mises應(yīng)力也大；洼陷處的von Mises應(yīng)力大，但最小主應(yīng)力卻小。

本文通過穿過鹽體的垂直剖面圖來進(jìn)一步分析應(yīng)力擾動(dòng)情況。剖面1穿過左邊的鹽體（鹽體都是凸?fàn)睿ㄒ妶D6a），在鹽體突起附近，相較于遠(yuǎn)場應(yīng)力（初始應(yīng)力），水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力都明顯增加；且水平應(yīng)力和法向應(yīng)力在接近鹽體位置增加最大，垂向應(yīng)力則在鹽體突起處開始增加，在遠(yuǎn)離鹽體一段距離后應(yīng)力值達(dá)到最大（見圖6a）。在鹽體內(nèi)，法向應(yīng)力和水平應(yīng)力都發(fā)生了減小且大小等于垂向應(yīng)力，產(chǎn)生了各向同性的應(yīng)力狀態(tài)（見圖6a）。同時(shí)，可以看到在剖面位置處剪應(yīng)力特別小，基本為零（見圖6a）。結(jié)果表明剖面上的鹽體應(yīng)力松弛之后的主應(yīng)力方向相較于遠(yuǎn)場主應(yīng)力方向無顯著變化（見圖6a、圖6b）。在圖6c中，鹽體內(nèi)von Mises應(yīng)力和平均應(yīng)力都相較于遠(yuǎn)場應(yīng)力有所減小，但是von Mises應(yīng)力減小更加明顯，這是因?yàn)辂}體內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)各向同性的應(yīng)力狀態(tài)，不存在偏應(yīng)力。沉積物中von Mises應(yīng)力和平均應(yīng)力在靠近鹽體處達(dá)到最大值，隨著遠(yuǎn)離鹽體，應(yīng)力逐漸減??；底面邊界附近的von Mises應(yīng)力甚至小于遠(yuǎn)場應(yīng)力。

圖6 穿過突起鹽體的應(yīng)力剖面圖

剖面 2穿過右邊的鹽體（鹽體都是下陷的）（見圖7a），在鹽體洼陷附近，相較于遠(yuǎn)場應(yīng)力，水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力都有減小，水平應(yīng)力減小明顯（3層沉積物都可看到），垂向應(yīng)力和法向應(yīng)力變化不明顯，只在中、下層沉積物中可見；水平應(yīng)力的變化表現(xiàn)為在鹽體附近應(yīng)力最小，隨著遠(yuǎn)離鹽體其應(yīng)力值逐漸增加。在此整個(gè)剖面的剪應(yīng)力相較于其遠(yuǎn)場應(yīng)力沒有明顯變化，也說明了在鹽體應(yīng)力松弛之后的主應(yīng)力方向相較于遠(yuǎn)場主應(yīng)力方向基本無變化（見圖7a、圖7b）。與剖面1處應(yīng)力擾動(dòng)不同的是，剖面2處的沉積物中 von Mises應(yīng)力和平均應(yīng)力在靠近鹽體處達(dá)到最小值，隨著遠(yuǎn)離鹽體，應(yīng)力逐漸增大（見圖7c）。鹽體內(nèi)的各個(gè)應(yīng)力變化與剖面1中類似，不再贅述。鹽體水平時(shí)（無幾何形狀起伏），在鹽體應(yīng)力松弛過程中對(duì)周圍沉積物的應(yīng)力擾動(dòng)很小甚至沒有。為了進(jìn)一步探究鹽體的起伏程度與應(yīng)力擾動(dòng)之間的關(guān)系，本文通過改變鹽體起伏程度的大小，設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)比模型。

圖7 穿過洼陷鹽體的應(yīng)力剖面圖

3.2 對(duì)比模型

3.2.1 對(duì)比模型1

為了與參考模型進(jìn)行比較，在對(duì)比模型1，左邊突起鹽體的起伏更平緩（見圖8a虛線框），其他的模型設(shè)置均與參考模型相同。

對(duì)比參考模型中的應(yīng)力擾動(dòng)結(jié)果（見圖4、圖8），發(fā)現(xiàn)此模型中的鹽體應(yīng)力松弛產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)模式與參考模型一致：鹽體突起處水平應(yīng)力、法向應(yīng)力、垂向應(yīng)力、主應(yīng)力、平均應(yīng)力和von Mises應(yīng)力均增加，洼陷處這幾個(gè)應(yīng)力均變小；突起左側(cè)和洼陷右側(cè)出現(xiàn)擠壓型剪應(yīng)力，突起右側(cè)和洼陷左側(cè)出現(xiàn)拉張型剪應(yīng)力。所不同的是，由于左側(cè)突起的鹽體起伏更平緩，使得對(duì)沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)比參考模型中的小（見圖4a—4c、圖8a—8c）。

圖8 模型1中鹽體周圍沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)

穿過鹽體的剖面圖可以更清楚地表現(xiàn)出鹽體起伏程度對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)的影響（見圖9）。結(jié)果顯示，鹽體內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢與參考模型中的應(yīng)力變化基本一致（見圖6、圖9）。在鹽體突起附近的沉積物中，水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力的擾動(dòng)均小于參考模型中對(duì)應(yīng)的應(yīng)力擾動(dòng)。以水平應(yīng)力為例，鹽體與沉積物交界面處，參考模型的應(yīng)力增加（σh=53.1 MPa，見圖6a A點(diǎn)）要大于本模型（σh=44.5 MPa，見圖9a B點(diǎn)）。此外，本模型剖面處的剪應(yīng)力也無顯著變化，基本為0（見圖9a）。同樣地，主應(yīng)力、平均應(yīng)力、von Mises應(yīng)力的擾動(dòng)與參考模型相比，也是因?yàn)辂}體突起更平緩而有所減?。ㄒ妶D6b—6c、圖9b—9c）。

3.2.2 對(duì)比模型2

圖9 穿過突起鹽體的應(yīng)力剖面圖

相比于參考模型，此模型的特點(diǎn)是，只有模型右邊洼陷鹽體的起伏發(fā)生了改變（起伏更陡峭），其他的模型設(shè)置部分均與參考模型一致。

將本模型的應(yīng)力擾動(dòng)結(jié)果與參考模型相比較（見圖4、圖10）可以看出，由于本模型中鹽體洼陷得更加陡峭，水平應(yīng)力、垂向應(yīng)力和法向應(yīng)力都減小得更顯著（見圖10a—10c）。由圖11可以看出，本模型的水平應(yīng)力、法向應(yīng)力和垂向應(yīng)力變化曲線與參考模型基本一致，所不同的是在中間沉積層中，水平應(yīng)力的變化比較明顯（見圖11a），且在靠近鹽體的地方，水平應(yīng)力下降更多（見圖7a、圖11a）；剪應(yīng)力同遠(yuǎn)場沒有變化，接近于0。同參考模型相比，因?yàn)橥菹蓰}體處的起伏變陡，在中間沉積層中，最大主應(yīng)力的變化比較明顯（見圖11b），而且在靠近鹽體的地方，最大主應(yīng)力下降得更多（見圖11b）；類似地，本模型中的平均應(yīng)力和 von Mises應(yīng)力在鹽體洼陷附近的下降也要比參考模型多。

3.3 克拉蘇構(gòu)造帶西剖面鹽構(gòu)造模型

本文分析了幾種不同幾何樣式的概念性模型的應(yīng)力擾動(dòng)，接下來分析實(shí)際剖面的應(yīng)力擾動(dòng)結(jié)果。模型材料參數(shù)和邊界條件等均與參考模型相同。

類似于參考模型中的von Mises應(yīng)力分析結(jié)果（見圖3），由于鹽體內(nèi)的應(yīng)力松弛，鹽體內(nèi)的剪應(yīng)力隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸松弛減小，并在鹽體周圍的沉積層產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)（見圖12b）。模型最終狀態(tài)的應(yīng)力（見圖12c）是初始狀態(tài)的應(yīng)力（見圖12a）與由于鹽體的黏彈性應(yīng)力松弛產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)之和。

模型模擬結(jié)果顯示，在此鹽盆地中（相當(dāng)于大區(qū)域的鹽體洼陷），鹽體上表面水平應(yīng)力變?。ㄒ妶D13a），但是垂向應(yīng)力在盆地中央?yún)^(qū)域（鹽體平緩）有略微增加，往盆地兩側(cè)（左右兩側(cè)存在尺度較小的洼陷）開始出現(xiàn)垂向拉張應(yīng)力（見圖13b），說明在大尺度的鹽體構(gòu)造中，應(yīng)力擾動(dòng)要同時(shí)受到整個(gè)鹽構(gòu)造與局部小尺度鹽構(gòu)造的雙重影響。鹽體下表面呈凸?fàn)睿颂幊霈F(xiàn)了水平擠壓應(yīng)力，但是隨著遠(yuǎn)離突起核部，應(yīng)力逐漸減??；垂向應(yīng)力在此處也具有類似的情況；法向應(yīng)力的擾動(dòng)與也與水平應(yīng)力類似，只是應(yīng)力擾動(dòng)的值更小（見圖13a、圖13c）。在圖13d中，剪應(yīng)力的變化主要出現(xiàn)在鹽體幾何形狀異常的附近。

von Mises應(yīng)力在鹽體突起處增加，如在鹽體下表面突起處（見圖13i中間虛線方框）、北秋里塔格背斜處（見圖13i左邊虛線框）以及北吐孜瑪扎鹽丘附近（見圖13i右邊虛線框）；平均應(yīng)力在鹽體下表面突起處和北秋里塔格背斜處也變大，但是在北吐孜瑪扎鹽丘附近變?。ㄒ妶D13e），因此難以確定北秋里塔格背斜處是否是安全的鉆井位置（von Mises應(yīng)力和平均應(yīng)力都變大），但是確定北吐孜瑪扎鹽丘附近不是合適的鉆井位置（von Mises應(yīng)力變大和平均應(yīng)力減小）。

4 討論

本文設(shè)計(jì)并模擬了 3個(gè)洼陷與突起組合的雙層鹽體模型，發(fā)現(xiàn)鹽體幾何形狀與鹽體周圍沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)有很大關(guān)聯(lián)，這與之前的很多研究結(jié)論一致[15-16,41]。模型模擬結(jié)果顯示，在一個(gè)擠壓背景應(yīng)力場下，突起的鹽體和洼陷的鹽體所產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)是相反的（擠壓和拉張），而且突起和洼陷的曲率變化會(huì)對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)有影響。模型的結(jié)果也適用于實(shí)際的鹽構(gòu)造模型（塔里木盆地庫車坳陷鹽構(gòu)造）。

鉆井穩(wěn)定性分析要綜合考慮最小主應(yīng)力、平均應(yīng)力和von Mises應(yīng)力的擾動(dòng)[15,42-45]。根據(jù)Mohr-Coulomb或者Drucker-Prager準(zhǔn)則，平均應(yīng)力的增加意味著材料可以承受更大的剪應(yīng)力，材料越不容易產(chǎn)生變形或者破裂。von Mises應(yīng)力的增加則意味著材料更加接近屈服。所以理想的鉆井軌跡的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在平均應(yīng)力大且von Mises應(yīng)力小的地方。本文結(jié)果顯示洼陷起伏較小鹽體處是比較理想的鉆井位置，因?yàn)楹瓦h(yuǎn)場應(yīng)力相比，von Mises應(yīng)力減小得很多，而平均應(yīng)力減小得不大（見圖3b、圖4e）。

圖10 模型2中鹽體周圍沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)

圖11 穿過洼陷鹽體的應(yīng)力剖面圖

圖12 von Mises應(yīng)力擾動(dòng)結(jié)果

本文的二維平面應(yīng)變模型也存在一些局限性，比如，沒有考慮第三維的鹽體幾何形狀與運(yùn)動(dòng)；局部的溫度異常會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力[46]；鹽體周圍的斷裂帶也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力和孔隙壓力的擾動(dòng)。地質(zhì)環(huán)境下，孔隙流體壓力的變化會(huì)引起有效應(yīng)力的變化和鉆井設(shè)計(jì)，如果考慮這個(gè)因素，鉆井位置可能會(huì)變化，本文沒有包含孔隙流體壓力的模擬[15]。因此，在分析實(shí)際鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意本研究模型模擬結(jié)果的適用性。隨著地質(zhì)與地球物理研究的發(fā)展，對(duì)上述因素有了更多的資料后，可以進(jìn)一步模擬研究這些因素對(duì)鹽體周圍應(yīng)力擾動(dòng)的影響和作用，構(gòu)建一個(gè)更加接近現(xiàn)實(shí)的模型，模擬并得到一個(gè)更加現(xiàn)實(shí)的應(yīng)力場和孔隙流體壓力場，更好地指導(dǎo)鉆井設(shè)計(jì)。

圖13 庫車坳陷鹽體周圍沉積物中的應(yīng)力擾動(dòng)

5 結(jié)論

首先使用地質(zhì)力學(xué)建模方法設(shè)計(jì)了 3個(gè)突起、洼陷相互組合雙層鹽體模型和一個(gè)塔里木盆地庫車坳陷鹽構(gòu)造模型，并模擬了鹽體周圍的應(yīng)力擾動(dòng)情況。其次研究了擠壓構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下鹽體的應(yīng)力松弛對(duì)其周圍沉積物所產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)，得到如下結(jié)論：

鹽體的應(yīng)力擾動(dòng)與鹽體的幾何形狀有重要的關(guān)系。在擠壓背景應(yīng)力場下，突起的鹽體附近會(huì)產(chǎn)生擠壓型應(yīng)力擾動(dòng)；洼陷的鹽體附近會(huì)產(chǎn)生拉張型應(yīng)力擾動(dòng)；水平狀鹽體（無幾何形狀異常）周圍無應(yīng)力擾動(dòng)。

鹽體突起和洼陷的起伏程度變化也會(huì)影響應(yīng)力擾動(dòng)。突起或洼陷的起伏程度越大，應(yīng)力擾動(dòng)越大；反之，突起或洼陷的起伏程度越小，應(yīng)力擾動(dòng)越小。

庫車坳陷鹽體構(gòu)造中，應(yīng)力擾動(dòng)同時(shí)受到整體鹽構(gòu)造幾何形態(tài)與局部小尺度鹽構(gòu)造幾何形態(tài)的雙重影響。如果不考慮孔隙流體壓力時(shí)，最佳的鉆井位置是在平均應(yīng)力大與von Mises應(yīng)力小的位置，即本文中鹽體下陷處；如果考慮孔隙流體壓力，最優(yōu)的鉆井位置可能會(huì)變化。

符號(hào)注釋：

D——彈性材料矩陣；{dε}——應(yīng)變增量，無因次；{dεe}——黏性應(yīng)變增量，無因次；{dεv}——彈性的應(yīng)變增量，無因次；E——彈性模量，GPa；Q——黏度相關(guān)的矩陣；t——時(shí)間，s；σt——應(yīng)力增量，MPa；σh——水平應(yīng)力，MPa；σv——垂向應(yīng)力，MPa；σVM——von Mises應(yīng)力，MPa；σoop——法向應(yīng)力，MPa；σ1——最大主應(yīng)力，MPa；σ2——中間主應(yīng)力；σ3——最小主應(yīng)力，MPa；η——黏度，Pa·s；v——泊松比，無因次；σij——應(yīng)力分量，Pa；gi——重力加速度，m/s2；ρ——密度，kg/m3。