單亦先，勞海港，王永詩，陳建平

(1.中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營　257061； 2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山　063009；

3.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營　257015； 4.中國石化 勝利油田分公司，山東 東營　257015)

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巖性差異變化對斷層帶結(jié)構(gòu)影響的物理模擬

單亦先1，勞海港2,3，王永詩3，陳建平4

(1.中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營257061； 2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009；

3.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營257015； 4.中國石化 勝利油田分公司，山東 東營257015)

摘要：采用分解和統(tǒng)計相結(jié)合的實(shí)驗原則，逐步考察了影響斷層帶結(jié)構(gòu)變化的地層因素。通過對砂、泥巖力學(xué)性質(zhì)及含量進(jìn)行變換，模擬砂、泥巖地層中可能形成的斷層帶結(jié)構(gòu)。實(shí)驗結(jié)果表明：泥巖泊松比、泥巖含量是影響斷層帶結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部單元規(guī)模的2個重要因素。單一的砂巖泊松比并不直接影響斷層帶結(jié)構(gòu)類型，其原因可能是因為實(shí)驗中的砂巖主要表現(xiàn)為脆性變形的結(jié)果；但砂巖含量是影響斷層帶結(jié)構(gòu)類型的重要因素。在泥巖含量一定的情況下，砂巖泊松比的變化影響斷層帶的寬度，且兩者比值在1～1.33之間時斷層帶發(fā)育二元結(jié)構(gòu)；砂巖泊松比低于0.28、泥巖泊松比低于0.34時，斷層帶形成疏松的一元型結(jié)構(gòu)；當(dāng)砂巖泊松比高于0.35、泥巖泊松比高于0.38時，斷層帶為緊閉的一元型滑動面。

關(guān)鍵詞：泥巖泊松比；砂巖泊松比；泥巖含量；斷層帶結(jié)構(gòu)；模擬實(shí)驗

斷層是地殼中巖石沿著破裂面發(fā)生明顯位移的一種斷裂構(gòu)造[1]。巖層受應(yīng)力作用發(fā)生變形，當(dāng)應(yīng)力集中超過其強(qiáng)度時便會開始破裂，出現(xiàn)微裂隙，這些微裂隙逐漸發(fā)育、擴(kuò)展、集結(jié)，最終形成宏觀意義上的破裂帶；當(dāng)繼續(xù)受力時，破裂帶兩側(cè)地層順破裂面發(fā)生明顯錯動則演化為斷層。

1研究現(xiàn)狀

1.1　斷層帶結(jié)構(gòu)分類

通過野外勘察、物理實(shí)驗、地球物理解釋、巖心觀察均證實(shí)，斷層帶往往是有一定寬度、含有不同斷層巖的三維地質(zhì)體[2-4]。按照斷層帶內(nèi)部構(gòu)造特征及變形程度的差異性，將其分為斷層核和破碎帶兩端元結(jié)構(gòu)[2]，或者稱之為滑動破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶2部分[5]。

斷層核位于斷層帶中心部位，主要發(fā)育斷層巖及滑動面，釋放了斷層的大部分應(yīng)力。其中，斷層巖按照其形成機(jī)制不同，又可細(xì)分為碎裂巖系列和糜棱巖系列，兩者在深度上有一定的分布規(guī)律[6]。Lindsay[7]則將斷層核中的泥巖涂抹進(jìn)一步分為研磨型、剪切型和注入型3種類型。

破碎帶位于斷層核兩側(cè)有限范圍內(nèi)，由縱橫交錯、方向各異的裂縫切割斷層兩側(cè)圍壓所形成的有限構(gòu)造區(qū)。由于破碎帶釋放了次級構(gòu)造應(yīng)力，所以裂縫向遠(yuǎn)離斷層核方向逐漸減小，且在斷層上下兩盤發(fā)育規(guī)模也存在明顯差異。根據(jù)破碎帶的發(fā)育特征不同，可分為圍壓破碎帶、連接破碎帶和端部破碎帶3種[8]。斷層帶兩端元結(jié)構(gòu)的演化過程是伴隨著斷層的發(fā)育同步進(jìn)行的，隨著斷層規(guī)模的逐漸增大，斷層帶由最初的一元結(jié)構(gòu)(即破碎帶)向斷層二元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[9-10]。

1.2　斷層帶結(jié)構(gòu)

斷層帶結(jié)構(gòu)的形成取決于內(nèi)、外2個關(guān)鍵要素，內(nèi)部要素包括斷開的巖石力學(xué)性質(zhì)、巖石孔隙度和滲透率，外部要素則涉及到次級應(yīng)力場分布、斷層活動強(qiáng)度與方式等。Clausen和Gabrielsen[11]以及Sperrevik等[12]考察了影響泥巖力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵地質(zhì)要素，但未涉及到泥巖力學(xué)性質(zhì)是如何影響斷層帶結(jié)構(gòu)的。本文基于前人研究成果，從影響斷層帶結(jié)構(gòu)發(fā)育的主控要素出發(fā)，利用物理模擬探究影響斷層帶結(jié)構(gòu)發(fā)育的主要因素及其發(fā)育規(guī)律。物理模擬結(jié)果不僅比經(jīng)驗研究更具可靠性，而且為斷層的輸導(dǎo)與封閉的研究提供基本依據(jù)。

此次試驗是在中國石油大學(xué)(華東)及中國石化勝利油田地質(zhì)研究院實(shí)驗室平臺上完成的，其中實(shí)驗裝置的設(shè)計及原理與王學(xué)軍等[13]的成果均在同一實(shí)驗平臺上實(shí)現(xiàn)的。

1.3　野外斷層帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征

國內(nèi)外學(xué)者通過對野外斷層進(jìn)行分析，認(rèn)為較大規(guī)模的斷層常常由縱向上的裂縫相互連接形成；并根據(jù)斷層帶不同部位的構(gòu)造特征差異性進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元劃分，即使相同構(gòu)造單元的特征也具有很大差異。以河北省秦皇島雞冠石正斷層為例(圖1)，該斷層發(fā)育明顯的斷層二元結(jié)構(gòu)，內(nèi)部單元并非均一。斷層核垂向上寬窄不一，內(nèi)部分布著不同規(guī)模的角礫巖和不同比例的斷層泥，同時也發(fā)育不同方位的裂縫系；其中，斷層泥主要為剪切、研磨2種類型。斷層核兩側(cè)的破碎帶發(fā)育存在差異，斷層上盤的裂縫密度、寬度、延伸長度均比斷層下盤發(fā)育。

圖1　秦皇島雞冠石正斷層“二元”結(jié)構(gòu)

需要說明的是，本次物理模擬實(shí)驗中的泥巖主要為剪切型泥巖涂抹，并在此基礎(chǔ)上研究泥巖、砂巖力學(xué)性質(zhì)改變及其地層組成變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響。

2泥巖力學(xué)性質(zhì)變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響

泥巖對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響主要取決于2個方面：一個是地層中泥巖含量變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響，另一個是泥巖力學(xué)性質(zhì)的變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的控制。故實(shí)驗中通過固定泥巖含量、改變泥巖力學(xué)性質(zhì)來探究泥巖力學(xué)性質(zhì)變化對斷層帶結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響程度。下面以泥巖含量為16%和23%的地層結(jié)構(gòu)為例，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1　泥巖含量為16%的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

為了研究泥巖的力學(xué)性質(zhì)是否影響斷層帶的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了3個泥巖含量相同、砂巖力學(xué)性質(zhì)一致、泥巖力學(xué)性質(zhì)不同的模型。其中，3個模型中泥巖含量均為16%，砂巖泊松比(σ砂)均為0.31，泥巖厚度均為0.6 cm，砂巖厚度均為3 cm，模型中斷距均為4 cm，但每個模型中的泥巖泊松比(σ泥)分別為0.32，0.38，0.42(圖2)。

圖2　泥巖含量為16%的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

對比3個實(shí)驗結(jié)果，3個實(shí)驗中斷層帶的形成過程中僅σ泥=0.38時短暫出現(xiàn)過1條誘導(dǎo)裂縫，但最終結(jié)果卻是3個實(shí)驗均不發(fā)育誘導(dǎo)裂縫帶，但滑動破碎帶的類型卻明顯不同。σ泥=0.32的滑動破碎帶以發(fā)育斷層空腔為特征；σ泥=0.38的滑動破碎帶由多條斷斷續(xù)續(xù)的泥巖條帶組成；而σ泥=0.42的滑動破碎帶內(nèi)部發(fā)育良好的泥巖拖拽涂抹層，基本上表現(xiàn)為塑性變形。同時，隨著實(shí)驗中的泥巖泊松比增加，滑動破碎帶的最大寬度依次為0.8，0.6，0.3 cm。由此推斷，泥巖泊松比系數(shù)的逐漸遞增導(dǎo)致泥巖由彈性變形向彈—塑性變形、塑性變形過渡，從而控制了斷層帶結(jié)構(gòu)樣式的變化，對斷層帶的寬度影響相對較差。

圖3　泥巖含量為23%的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

2.2　泥巖含量為23%的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

為了考察泥巖含量增大的情況下，泥巖力學(xué)性質(zhì)的變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計3個模型中泥巖含量均為23%，砂巖泊松比均為0.31，泥巖厚度均為0.9 cm，砂巖厚度均為3 cm，模型中斷距均為4.5 cm，但3個模型中的泥巖泊松比分別為0.32，0.38，0.42(圖3)。

實(shí)驗結(jié)果表明，σ泥=0.32的模型中發(fā)育明顯的斷續(xù)分布的斷層空腔；σ泥=0.38的模型中出現(xiàn)斷層帶二元結(jié)構(gòu)，由多條小斷層切割斷層帶中的泥巖，斷層帶寬度較大；σ泥=0.42時模型中出現(xiàn)泥巖拖拽所形成的一元型狹窄斷層帶。在這組實(shí)驗中，隨著泥巖泊松比的增加，斷層帶最大寬度依次為0.7，3.9，0.6 cm，斷層帶寬度與泥巖泊松比相關(guān)性差。實(shí)驗結(jié)果所表現(xiàn)出來的泥巖泊松比系數(shù)與泥巖階段性力學(xué)變形的相關(guān)性，沒有泥巖含量為16%的實(shí)驗結(jié)果所表現(xiàn)出來的明顯。

將泥巖含量為16%和23%的2組實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比，σ泥=0.32的實(shí)驗結(jié)果均發(fā)育斷層空腔，但泥巖含量高的模型中斷層空腔規(guī)模有所減?。沪夷?0.38的實(shí)驗結(jié)果發(fā)育明顯不同的斷層帶結(jié)構(gòu)，泥巖含量為16%的發(fā)育一元滑動破碎帶，而含量為23%的發(fā)育斷層二元結(jié)構(gòu)；σ泥=0.42的2個實(shí)驗均發(fā)育涂抹較好的泥巖帶。說明泥巖含量、泥巖泊松比是影響斷層帶結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部單元規(guī)模的2個重要因素。在泥巖含量為23%、泥巖泊松比為0.38的模型所發(fā)育的斷層帶寬度異常，且發(fā)育二元結(jié)構(gòu)，則說明除了上述2個因素外，可能還有其他因素影響著斷層帶結(jié)構(gòu)類型的變化。

3砂巖力學(xué)性質(zhì)變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響

假如在泥巖力學(xué)性質(zhì)不變的情況下，砂巖的力學(xué)性質(zhì)變化是否影響到斷層帶結(jié)構(gòu)特征？基于這一設(shè)想，本次實(shí)驗設(shè)計了2組實(shí)驗，一組是改變砂巖力學(xué)性質(zhì)來研究斷層帶結(jié)構(gòu)的變化情況；另一組是通過改變模型中砂巖含量，分析其對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響程度。

3.1　泥巖泊松比為0.32的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

實(shí)驗設(shè)計了泥巖含量均為28%、泥巖泊松比均為0.32、泥巖厚度由下向上依次為0.5，1.0，2.0，2.5 cm、砂巖厚度均為3 cm的2個模型，2個模型中的砂巖泊松比為0.29和0.31(圖4)，考察砂巖力學(xué)性質(zhì)的變化對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響。從實(shí)驗結(jié)果看，在σ砂=0.29的實(shí)驗中，斷層帶發(fā)育單一的滑動破碎帶，下部明顯發(fā)育斷層空腔；σ砂=0.31實(shí)驗中的斷層帶發(fā)育相同的構(gòu)造樣式，只是斷層空腔的寬度有所減小，且上部泥巖有拖拽痕跡。這一實(shí)驗結(jié)果說明砂巖泊松比并不是直接影響斷層帶結(jié)構(gòu)變化的關(guān)鍵因素，但也不排除是由于實(shí)驗誤差導(dǎo)致的。這一現(xiàn)象與前人的研究成果相同，即地殼表層砂巖在受力的情況下往往表現(xiàn)為脆性變形。

圖4　泥巖泊松比0.32的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

3.2　泥巖泊松比為0.36的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

通過改變模型中砂巖的百分含量，分析砂巖含量對斷層帶結(jié)構(gòu)的影響。設(shè)計了2個泥巖泊松比均為0.36、砂巖泊松比分別為0.33和0.34的模型，通過改變模型中每一層的泥巖和砂巖厚度，使得2個實(shí)驗的砂巖含量分別為68%和60%(圖5)。對比2個實(shí)驗結(jié)果，模型均發(fā)育以主滑動面為主的一元型斷層帶結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)裂縫帶不發(fā)育。從組成主滑動面的泥巖完整性來看，隨著砂巖含量的減小(即泥巖含量的增大)，主滑動面內(nèi)部的泥巖含量逐漸增大，也證實(shí)了砂巖含量的差異影響著以砂泥巖互層的地質(zhì)體中的斷層帶結(jié)構(gòu)變化。

計算砂巖力學(xué)性質(zhì)變化的4組實(shí)驗，泥巖含量分別為28%(圖4)，32%(圖5a)，40%(圖5b)，斷層帶結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)為一元型結(jié)構(gòu)，但構(gòu)造樣式由斷層空腔演變?yōu)橹骰瑒用?，并且主滑動面中的泥巖涂抹性逐漸變好。這一結(jié)果與圖2b和圖3b實(shí)驗中的泥巖含量變化所導(dǎo)致的斷層帶結(jié)構(gòu)變化具有相同的結(jié)果，即泥巖含量影響著斷層帶結(jié)構(gòu)的類型。

4砂、泥巖力學(xué)性質(zhì)變化對斷層結(jié)構(gòu)特征影響

通過以上實(shí)驗可以看出，泥巖含量、泊松比影

圖5　泥巖泊松比為0.36的斷層帶結(jié)構(gòu)實(shí)驗

響著斷層帶類型(包括斷層帶寬度和誘導(dǎo)裂縫帶的個數(shù))，且在泥巖含量為16%～28%之間可能出現(xiàn)斷層二元型或者三元型結(jié)構(gòu)?；谶@一假設(shè)，分別設(shè)計了泥巖含量為23%和28%的2組實(shí)驗，每組實(shí)驗中砂巖泊松比分別為0.27，0.28，0.29，0.30，0.31，0.32，0.33，0.34，0.35，0.36，泥巖泊松比分為別為0.32，0.34，0.36，0.38，0.40，0.42，分別交叉進(jìn)行實(shí)驗，從而減少實(shí)驗誤差所造成的影響。通過這一方法定量分析砂、泥巖泊松比變化與斷層帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并對實(shí)驗中的斷層帶寬度以及相應(yīng)的誘導(dǎo)裂縫帶個數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，進(jìn)而明確影響斷層帶結(jié)構(gòu)的主要因素。

4.1　砂、泥巖泊松比變化與斷面寬度的關(guān)系

通過對實(shí)驗結(jié)果統(tǒng)計，相同泥巖泊松比、不同砂巖泊松比的情況下，絕大多數(shù)實(shí)驗具有隨著砂巖泊松比含量的增加，相同泥巖泊松比與斷層帶寬度呈正態(tài)分布曲線的特征；且在砂巖泊松比為0.31時，斷層帶寬度可達(dá)2.2 cm。但當(dāng)泥巖泊松比為0.32時，斷層帶的寬度隨著砂巖泊松比含量的增加而減小。對比相同砂、泥巖泊松比、不同泥巖含量的2組實(shí)驗(圖6)，泥巖含量為28%的地質(zhì)模型比含量為23%的地質(zhì)模型僅在斷面的寬度上有所增大，總體變化的趨勢基本一致。

圖6　砂、泥巖泊松比與斷面寬度變化關(guān)系

4.2　砂、泥巖泊松比變化與誘導(dǎo)裂縫的關(guān)系

誘導(dǎo)裂縫個數(shù)統(tǒng)計表明，絕大多數(shù)實(shí)驗具有隨著砂巖泊松比含量的增加，誘導(dǎo)裂縫個數(shù)呈正態(tài)分布曲線；僅僅在砂巖泊松比為0.28、泥巖泊松比為0.34時出現(xiàn)異常點(diǎn)，這一結(jié)果推測可能是由實(shí)驗誤差所造成的；同時，個別實(shí)驗中根本不發(fā)育誘導(dǎo)裂縫。在砂巖泊松比為0.30～0.33、泥巖泊松比為0.32～0.38時發(fā)育2個或3個誘導(dǎo)裂縫。對比2組相同砂、泥巖泊松比、不同泥巖含量的實(shí)驗數(shù)據(jù)(圖7)，泥質(zhì)含量為28%的地質(zhì)模型與泥質(zhì)含量為23%的地質(zhì)模型在誘導(dǎo)裂縫的個數(shù)分布狀態(tài)上基本沒有變化；泥巖含量為28%、泥巖泊松比大于0.38的實(shí)驗中誘導(dǎo)裂縫不再發(fā)育；砂巖泊松比為0.28、泥巖泊松比為0.34在2次實(shí)驗中均出現(xiàn)，說明這一現(xiàn)象應(yīng)該是獨(dú)立于上述規(guī)律之外存在的特殊點(diǎn)。

圖7　砂、泥巖泊松比與誘導(dǎo)裂縫個數(shù)的關(guān)系

4.3　砂、泥巖泊松比變化與斷層帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系

在實(shí)驗過程中，可以出現(xiàn)較為典型的斷層二元型結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的次數(shù)較低，說明斷層的二元型結(jié)構(gòu)的發(fā)育有相對的限制條件。在辨別斷層帶二元型時主要參考斷層帶的寬度和誘導(dǎo)裂縫的個數(shù)，其中對應(yīng)誘導(dǎo)裂縫帶采取較為謹(jǐn)慎的取值辦法，只對2個及以上的誘導(dǎo)裂縫歸入斷層的誘導(dǎo)裂縫帶。統(tǒng)計結(jié)果顯示，只有同時滿足砂巖泊松比介于0.30～0.33、泥巖泊松比介于0.32～0.38、泥巖與砂巖泊松比比值在1～1.33這3個條件時最有利于斷層帶發(fā)育二元結(jié)構(gòu)；砂巖泊松比低于0.28、泥巖泊松比低于0.34時，斷層帶主要表現(xiàn)疏松的一元型結(jié)構(gòu)；當(dāng)砂巖泊松比高于0.35、泥巖泊松比高于0.38時，斷層帶也呈現(xiàn)一元型結(jié)構(gòu)，但構(gòu)造樣式表現(xiàn)為以泥巖拖拽為主的一元型主滑動面。

5結(jié)論

(1)泥巖泊松比、泥巖含量是影響斷層帶結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部單元規(guī)模的2個重要因素。單一的砂巖泊松比并不直接影響斷層帶結(jié)構(gòu)類型，其原因可能是因為實(shí)驗中的砂巖主要表現(xiàn)為脆性變形的結(jié)果；但砂巖含量則是影響斷層帶結(jié)構(gòu)類型的因素。

(2)泥巖力學(xué)性質(zhì)直接影響斷層帶結(jié)構(gòu)，并且在泥巖含量一定的情況下，砂巖泊松比的變化影響斷層帶的寬度，且兩者比值在1～1.33之間時斷層帶發(fā)育二元結(jié)構(gòu)；砂巖泊松比低于0.28、泥巖泊松比低于0.34時，斷層帶形成疏松的一元型結(jié)構(gòu)；當(dāng)砂巖泊松比高于0.35、泥巖泊松比高于0.38時，斷層帶為緊閉的一元型滑動面。

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(編輯徐文明)

Physical simulation of the influence of lithological

differences on fault zone structure

Shan Yixian1, Lao Haigang2,3, Wang Yongshi3, Chen Jianping4

(1.CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266580,China;

2.CollegeofMiningEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan,Hebei063009,China;

3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China;

4.SINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China)

Abstract:The controlling stratigraphic elements for fault zone structure were studied. Possible fault zone structures in sand and mudstone formations were simulated in view of sand and mudstone mechanical properties and contents. The Poisson’s ratio and content of mudstone controlled fault zone structure and its internal unit size. The Poisson’s ratio of sand did not directly determine fault zone structure, which might be explained by the brittle deformation of sand in the experiment. On the contrary, sand content was a key element for fault zone structure. When mudstone content was fixed, the Poisson’s ratio of sand controlled the width of the fault zone. When the ratio of mud to sandstone Poisson’s ratio was 1-1.33, dualistic structure developed in the fault zone. When the Poisson’s ratios of sand and mudstones were less than 0.28 and 0.34, respectively, a unitary fault zone with loose structure formed. When the Poisson’s ratios of sand and mudstones were more than 0.35 and 0.38, respectively, a closed unitary sliding surface developed.

Key words:Poisson’s ratio of mud stone; Poisson’s ratio of sand stone; mud stone content; fault zone structure; simulation experiment

基金項目：國家重大科技專項“渤海灣盆地精細(xì)勘探關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05006，2016ZX05006)資助。

作者簡介：單亦先(1965—)，男，碩士，教授，從事油氣田生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控技術(shù)、石油專用試驗設(shè)備研制與石油裝備檢測技術(shù)與故障診斷研究。E-mail: 18605460902@163.com。

收稿日期：2014-9-27；

修訂日期：2015-12-18。

中圖分類號：TE122.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-6112(2016)01-0108-05doi：10.11781/sysydz201601108