断层力学性质的定量研究―断层面应力计算

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摘 要：断层是岩石受力超过岩石强度时所发生的破裂变形。断层所受的应力不同，其对油气形成的封闭作用是不同的。本文从基本受力关系入手，依托矿场资料，对断层面附近的应力分布进行了计算，对断层的封闭性进行了分析，所得结论为了解断层封闭情况，预测油气的分布状况提供了参考。

关键词：断层面 应力计算 东营油区 封闭情况

引言

断层是岩石受力超过岩石强度时所发生的破裂变形。断层所受的应力不同，其对油气形成的封闭作用是不同的，一般认为断面应力为压应力、剪应力和压剪应力是的断层具有对油气具有封闭作用。而断面应力为张剪应力时，断层对油气的封闭性就较差，断面应力为张应力时则断层对油气不具有封闭作用。因此，断面应力状况是决定断层对油气封闭与否的关键因素。同时，断面承受应力情况是极其复杂的，它随地质环境、断层埋深和时间推移等诸多地质因素的变化而变化的。定性的讲，在浅层多为张应力发育，相反在深层多为压应力发育，从而导致盆地中断层力学性质的变化及其同一条断层的封闭性能的变化。这表明断面承受应力方式和应力强度是决定断层是否封闭和封闭强度的主导因素。

断面所受的应力包括正应力和剪应力。这两种力作用的结果直接导致了断层沿断裂带或断面活动的情况，以及断层是否具有封闭性。因此，在求得断面上正应力和剪应力大小的基础上，就能了解断层封闭情况，从而预测油气的分布状态。

一、断面承受应力状态和计算方法分析

考虑到本研究区域的总体构造走向为近东西向，研究的断层为走向近东西，倾向南；根据实测现今东营凹陷构造应力场最大主压应力是近东西向，最小主压应力为近南北向；对于油气有重大关系的断层是北断南掉。所以我们选择垂直构造总体走向的南北向剖面作为研究对象，即现今构造断裂特征在现今构造应力场作用下的断层面应力分布特征及其断层对油气的封闭特征。

三、断面应力计算参数值的确定

根据前述公式中断面应力取值的要求，计算参数设置如下。

1.断面埋藏深度：按实际埋深求取。

②丁健民（1995）利用水压致裂、孔壁崩落应力测量等原理和方法，在研究了胜利油区深部的现今应力场特征后表明：在1300―3500m深度范围内，区域地应力的最大主应力为近东西向，中间主应力为垂向，最小水平主应力近南北向。上述两种方法测定的结果经过换算，每个应力值大小相差4 MPa，再经角度校正后，各点的应力误差都在0.5 MPa以下，个别不到1 MPa。所以构造应力的大小和方向采用上述实测值。

8.断层面角度选择

根据断层面分布特征和控制规律，选择断层面倾角为15°、30°、45°、60°、75°时的断层在不同埋深时断层面上所承受的正应力和剪应力值大小。同时考虑到研究区内大部分断层面倾角为60°至75°之间，所以又进一步细化计算断层面倾角为65°、70°的断层面应力值情况。因此，本次计算选择的断层面角度为15°、30°、45°、60°、65°、70°、75°七个角度。

四、计算结果及其分析

为了便于计算和减少工作量，将前述断面应力计算公式编制成VB程序进行计算。根据上述计算程序，分别计算断层面倾角为15°、30°、45°、60°、65°、70°、75°时的断层面正应力值和剪应力值大小。得到的各个断层面正应力值和剪应力值。根据研究区的各类岩石抗压强度值和实际地质情况，确定岩石抗压强度过渡值σc为30～35MPa，并依此圈出不同角度断层面性质变化的过渡带范围值。

根据上述计算结果显示：

1.所有不同断面的正应力值均随埋藏深度的增加而呈线性增加的趋势，而且埋深增加，则正应力值的增加幅度加大。同时，在相同埋深的条件下，随断层面角度增大，则其断面承受正应力减小（图4）。

2.不同断层面的剪应力值随深度变化而变化的趋势差别较大；以断层面45°角为临界角分为三种变化趋势。

①当断层面角度小于45°时，断层面上的剪应力值随深度增加而减小，是负值，但其绝对值大小增加；增加的幅度是断层面角度越小增加幅度越大。并且随深度增加，剪应力值增加越快。

②当断层面角度为45°时，断层面上的剪应力值随深度增加而出现两种变化趋势；以1950m为界，临界剪应力值为1.6965 MPa；1950m以上部分断层面上的剪应力值随深度增加而减小，1950m以下则随深度增加而增大。但是总体上45°角断层面随深度变化而变化的幅度很小。

③当断层面角度大于45°时，断层面上的剪应力值随深度增加而增大。但也出现三个不同的曲率段，第一是1600m以上，断层面上剪应力值增加幅度很小；2000m以下段则是断层面上剪应力值随深度增加而增大的幅度较大；1600m至2000m见区段介于两者之间（图4）。

五、结论

1.断层面应力计算是一种相对的定量化计算方法，而非绝对的。因为在计算过程中只考虑了主要因素，更复杂的地质因素无法全部考虑进去。

2.不同角度断层面的正应力差别较大，考虑到陡坡带地区新生代地层中断层的倾角主要为60°―75°之间，大部分是65°―70°，所以实际上陡坡带的应力封闭过渡带应该处于1650―2000m之间。

3.断层面的剪应力以45°角为临界角；当倾角大于45°时，断层面上剪应力为正值，即断层上盘下掉趋向；当倾角小于45°时，断层面上剪应力为负值，即断层上盘逆冲趋向。

4.综合断层面正应力和剪应力的计算结果，结合陡坡带新生代地层中实际断层产状情况，可以把陡坡带地层中断层分为三个区段（图7-52）：（1）1650m以上区段，断层为张性正断层开启段，断层对油气不具有封闭作用；（2）1650―2000m区段，为过渡区段，断层为临界状态的压性性质，断层对油气具有弱封闭性；（3）2000m以下，断层为压性逆断层性质，断层对油气具有良好的封闭性。

参考文献

[1]戴俊生. 油区构造分析.东营：石油大学出版社，2002.

[2]丁健民. 文献没找到