CHARACTERISTICS AND CONTROLLING FACTORS OF FRACTURES IN RESERVOIRS OF XUJIAHE FORMATION IN ZITONG AREA, SICHUAN BASIN
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摘要: 基于野外露头、岩心、薄片及样品实验测试等资料, 对四川盆地梓潼地区须家河组储集层裂缝特征与控制因素进行了精细分析与解释。须家河组致密砂岩储集层主要发育3种类型的裂缝, 分别为构造裂缝、成岩裂缝以及与异常流体高压有关的裂缝, 并以构造裂缝为主。裂缝走向主要为近东西向、近南北向和北西向, 平均密度0.56条/m, 多为层内发育。平面上, 沿老关庙—文兴场—柘坝场构造, 裂缝密度依次减小; 纵向上, 以须四段裂缝最为发育。有效裂缝比例在老关庙地区最低, 向北东至柘坝场构造呈带状递增趋势。该区储集层裂缝的分布主要受岩性、岩层厚度、构造部位及异常流体压力等因素控制, 其中断层对裂缝分布的控制作用最为显著。细粒级、薄层砂岩更容易产生裂缝, 断裂带附近与构造高部位也是该区裂缝发育的有利区域, 且断层对裂缝的控制作用远大于构造高部位的影响作用。此外, 异常流体高压的存在也有利于该区裂缝的发育, 尤其是张裂缝, 其密度在高压区明显增大; 异常高压也能导致早期闭合缝重新开启, 并且对裂缝中矿物的充填程度与溶蚀强度有重要的控制作用。Abstract: Based on the data of outcrops, cores, thin sections and experimental analysis, the development characteristics and controlling factors of fractures in tight sandstone reservoirs of Xujiahe Formation in Zitong Area, Sichuan Basin were analysed and interpreted. There are three types of fractures, i.e. tectonic fractures, diagenetic fractures and fractures related to abnormal high pressure of fluid in the tight sandstone reservoirs. Among them, the tectonic fractures are the main part. There are main three sets fractures of nearly EW, nearly SN and NW-SE orientations. The fractures in study area have an average density of 0.56/m and are mostly confined within the single layer. In the plane, fractures density decreases along the Lao Guanmiao-Wen Xingchang-Zhe Bachang area. While, the fractures of T3x4 are most developed. The proportion of effective fracture is the lowest around the Lao Guanmiao area and increases along the direction of NW to Zhe Bachang area. The distribution of these fractures in study area were controlled by such factors as the lithology, layer thickness, structures and abnormal high pressure of fluid. Sandstone with fine particle and thin layer are favorable for fractures development. Where near the faults and the high part of the structure also are the favorable areas for tectonic fractures development. The control action of faults on the forming and distribution of fractures plays a dominant role. Moreover, the abnormal high pressure of fluid is beneficial to the development of fractures, especially for the extension fractures, the fractures density in abnormal high pressure belts increases significantly. The abnormal high pressure also causes some fractures which were closed in early stage to open and plays important roles in increasing the extent of mineral filling and corrosion increases of fractures.
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Key words:
- reservoir fractures /
- controlling factor /
- tight sandstone /
- Xujiahe Formation /
- Zitong area /
- Sichuan basin
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0. 前言
本世纪以来, 继2001年11月14日昆仑山口西8.1级强震和2008年5月12日汶川8级[1~8]强震之后, 于2010年4月14日7时49分40.7秒在我国青海省玉树县(33.23°N, 96.6°E)发生MS 7.1级地震[9~10], 震源深度14km, 该地震发生在甘孜—玉树断裂带上, 震源机制得出的断层面走向为119°/倾角8 3°/滑动角-2°。这次地震破裂过程持续了约23s, 包括两次主要的子事件, 第一次是在初始破裂后0~5.5s, 第二次在5.5~23s左右[11]。地表破裂主要集中在距震中东南约10~30km处, 破裂长度延续23km, 破裂错动以反扭走滑为主, 错动量可达1.75m[12]。地震的破裂主要由北西向东南方向扩展, 破裂滑移量最大的区域位于玉树城区附近。
玉树地震位于巴颜喀拉地块南边界, 汶川地震属于巴颜喀拉地块东南边界。他们属于同一地块不同的边界上, 具有相同的构造动力学背景。
地震造成严重破坏及人员伤亡和财产损失。震后第一时间中国地质科学院地质力学研究所专家赶赴现场进行考查, 为灾后重建, 减灾救灾和地震科学研究提供了重要资料。在此基础上, 我们对玉树地震发生的机理进行了数值分析, 为地震机理的研究和预测预报提供依据。
我们将围岩看成弹性介质, 断层看成具有软化特性的弹塑性介质, 采用非稳定断层滑动准则, 利用FLAC3D软件进行地震发生机理的数值模拟。
在地应力场的作用下, 应力逐渐积累, 当应力达到断层的摩擦破坏强度时, 断层发生软化, 产生突然滑动, 储存在围岩中的能量突然释放, 形成地震[13~15]。
1. 玉树地区的应力场和速度场
玉树地震区及其附近地区地应力场最大水平主应力方向为北东到北东东向如图 1[16]。玉树MS 7.1级地震的震源机制解得出的p轴方位为74°[17]。
震源机制解得出的p轴方位与主应力方位一般情况下是不同的。他们之间的区别与岩石或断层的内摩擦有关。内摩擦角越大, 差别越大。p轴方位是在不考虑内摩擦的情况下确定的, 它与断层面的夹角为45°。但是, 当存在内摩擦时, 主应力方向与断层面的夹角小于45°。考虑岩石和断层内摩擦角的存在, 将最大水平主应力方向调整为北东80°, 与断层走向的夹角为40°。
据本区域地应力测量结果统计最大水平主应力σH与最小水平主应力σh之比在1.27~1.98之间, 多数比值为1.45左右[18]。地应力随深度可视为线性增加。并可用下式表示:
(1) 
(2) 式中z为深度(m)。
GPS测量得到的速度场如图 2[19].可以看出, 玉树附近的速度方向为北东70°到北东90°。西部速度快, 东部速度慢。由东向西有速度梯度。正因为存在速度梯度, 才会产生应力和应变。如果没有速度梯度, 速度处处相同, 则只有物体的整体移动, 而无变形, 因而无应变, 也无应力。玉树地区的应力场和速度场的特点, 正好有利于甘孜—玉树断层产生左旋走向滑动, 形成走滑地震。
2. 计算模型、边界条件和模型网格
模型的位置取在玉树附近。断层产状为直立断层, 走向120°。模型长度80km, 方向北东80°。模型宽度15km, 深度27km如图 3。模型中的断层长度23km, 与地表破裂长度相当。模型受到地应力和孔隙压力的作用。最大水平主应力σH的方向与模型长轴平行, 与断层走向夹角为40°。最小水平主应力的方向与长轴垂直。因为断层是直立的, 故不考虑重力作用。最大水平主应力和最小水平主应力皆随深度变化, 其表达式如式(1)及(2)。孔隙压力为静水压力, 其表达式为: p=0.01z(MPa), z为深度(m)。
图 3 计算模型a-模型的平面图; b-模型的三维图; D-模型宽度; L-模型长度; H-模型深度; σH-最大水平主应力; σh-最小水平主应力; v-速度; p-孔隙压力Figure 3. Model for calculationa两个水平主应力和孔隙压力均作为初始应力和初始孔隙压力施加在模型上。同时, 在模型的左边界施加速度, 右边界横向约束。模型的底边界z方向约束。
图 4是模型网格。对于围岩使用六面体网格, 共划分1500个单元。断层使用不连续界面单元。
3. 本构方程
3.1 断层的本构方程
(3) 
(4) 
(5) 
式中: kt, kn为断层的切向和法向刚度; τzx, τzy, τ, dτzx, dτzy, dσz为沿断层面的剪应力和法向应力分量及增量;
3.2 围岩的本构方程
围岩为弹性体, 他的本构方程为:
(6) 式中: De为弹性矩阵, ε为应变。
4. 断层非稳定滑动的能量准则
断层和围岩组成一个地质介质系统, 在断层失稳滑动前的时刻, 断层处在非稳定平衡状态, 一个小的扰动, 如位移、应力、孔隙压力等的扰动, 系统的弹性应变能将发生改变, 变化的能量, 除了驱动断层滑动外, 还能产生地震波的动能。下式表示断层非稳定滑动的能量准则[22, 24]:
(7) 当上式满足时, 断层发生非稳定滑动。式中ΔU是系统弹性应变能的变化, ΔE是系统的耗散能; 即断层非稳定滑动时, 系统弹性应变能的改变大于断层破坏滑动过程所需的能量, 其中的差值用于产生地震波。
5. 介质参数的选择
我们参考文献[22], [25], [26]模拟地震时的摩擦系数和内聚力以及他们的软化情况进行了参数选择如表 1。
表 1 断层和围岩参数Table 1. Parameters of fault and surroundings
6. 地震应力降和能量释放
在水平地应力σH、σh和孔隙应力p的作用下, 随着远场位移(边界位移)的增加, 应力逐渐加大。当平均应力达到396.35MPa时, 断层突然错动(图 5), 能量突然释放(图 6), 应力突然下降(图 7), 此时发生地震。地震造成的应力降为1.1MPa, 释放的能量密度为9×104尔格/cm3。应力降和能量释放的大小与断层位错量有关, 断层错动量越大, 能量释放越大, 应力降也大。
图 5 地震时断层的突然走向滑动(监测点为图 8 a点)Figure 5. Sudden sliding of faultwhen the earthquake happened平均应力是指模型深度范围内的水平应力平均值, 由下式得出:
(8) 式中: H0为深度, H0=27km。
7. 断层的错动
图 8为地震时, 断层在地表的相对错动。可以看出, 断层为逆时针走向滑动。断层两盘的相对滑动量最大为1.75m。与现场调查结果一致。地表破裂长度约23km。
图 8 地震引起的沿断层走向的位移/m(a点为位移监测点)Figure 8. Fault displacement along strike caused by the earthquake图 9为断层位移随离开断层距离的变化。可以看出, 断层线附近断层相对位移最大, 随着离开断层线距离的加大, 位移量变小。在远处出现少量反向位移。
8. 地震复发周期
在当前的应力状态和地层参数不变的情况下, 应力增加1.1MPa后, 地应力又达到临界状态, 可再发生7.1级地震。地震的复发周期与地应力的积累速度有关。应力的积累速度越快, 复发周期越短。地应力的积累速度可由图 7求出。即由图 7的应力-位移曲线求出远场每单位位移引起的应力变化, 而单位位移所需要的时间可由速度求出, 进而求出地应力的积累速度。这里所指的速度是模型东西两侧的相对速度, 即两侧的速度差。由图 2可求得模型两侧的速度差为1.36~3.36mm/a, 可求得应力积累速度为1.23~3×10-3MPa/a。同样, 可求得应变速率, 其结果为1.7~4.2×10-8/a。可见, 应力和应变积累速度是非常缓慢的。
在这样的应力积累速度下, 应力增加1.1MPa的时间为360~900年。即玉树7.1级地震复发周期为360~900年。
9. 结论
1.玉树地震是印度板块持续向北挤压, 青藏高原物质向东南方向流动, 在玉树地区形成主压应力为北东80°方向的水平应力场和速度场。在这样的水平地应力和速度场作用下, 应力逐渐积累, 再加上孔隙流体压力的作用, 使甘孜—玉树断裂的应力达到其破裂强度, 断层突然滑动, 发生地震。
2.随着水平地应力的缓慢增加, 当达到396.35MPa时(平均值), 断层失稳滑动, 形成地震。地震的应力降为1.1MPa, 能量释放密度为9×104尔格/cm3。断层产生反扭走向滑动, 相对滑动量可达1.75m。
3.玉树地震区应力的积累速度为1.23~3×10-3 MPa/a。应变积累速度为1.7~4.2×10-8/a。应力和应变积累速度是缓慢的。
4.在当前玉树地震区速度梯度的情况下。地震复发周期为360~900年。当速度梯度改变或断层参数改变时, 地震复发周期将改变。
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图 2 不同类型裂缝
a—高角度构造剪切裂缝; b—近水平构造剪切裂缝; c—薄片上的成岩裂缝; d—与异常高压有关的裂缝(早期碳质充填,后期方解石充填并切割早期碳质)
Figure 2. Different types of fractures
图 3 老关庙地区裂缝发育程度与断层、构造高部位关系
Figure 3. Relationship between intensity of fracture development and fault and high position of structure
表 1 不同含气构造须家河组地层压力系数与张裂缝密度统计
Table 1. Statistical table of formation pressure coefficient and the density of tension fissure in Xujiahe Formation of different gas bearing structure
含气构造区 须二段压力系数 须四段压力系数 张裂缝密度/(条·m-1) 老关庙地区 1.6~2.2 1.7~2.3 0.21 文兴场地区 1.8~2.1 1.7~2.1 0.18 柘坝场地区 1.8~2.0 1.7~2.0 0.17 剑门地区 1.8~2.0 1.7~2.0 0.17 中坝地区 ＜1.4 ＜1.4 0.04 
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