地应力在地质断层构造发生前后的变化

地应力在地质断层构造发生前后的变化

现有文献中都有介绍不同断层构造和主应力的相应关系，但没有强调这是各种断层发生前的主应力和断层构造的关系；更没有介绍各种断裂发生后它们的相应关系，这往往使一般人认为断裂发生后的主应力的方向仍保持不变。对全国13个大油区86个断块油田近千口钻井在正断层和逆断层地区进行了水压致裂测试地应力的试验。地应力测试结果表明，无论这些油田的断层是正断层还是逆断层，压裂裂缝的方向基本是垂直于断层走向的，即最小主应力均是平行于断层迹线的水平应力。这与现有文献中介绍正断层和逆断层发生前主应力的方向显然是不同的。提出了断层发生后地应力的计算方法，较好地回答了这个问题。 1前言

地应力的大小与方向对各种岩土工程都是十分重要的。但由于地应力测量比较昂贵，有时就往往根据地质构造来估算地应力的大小和方向。现有文献中都有介绍正断层、逆断层和走向断层发生前主应力的方向和计算方法。如正断层开始形成前，最大主应力1σ是垂向应力v σ，最小主应力3σ是垂直于断层走向的水平应力⊥h σ，中间主应力2σ是平行于断层走向的水平应力h//σ，断裂面与水平面间的夹角大于45°，一般为60°～65°；逆断层开始形成前，最小主应力3σ是垂向应力v σ，最大主应力1σ是垂直于断层迹线的水平应力⊥h σ，中间主应力是平

行于断层迹线的水平应力h//σ，断裂面与水平面间的夹角小于45°，一般为20°～25°；走向断层最大主应力和最小主应力都是水平应力，且它们相互垂直中间主应力是垂直应力，最大主应力与断裂面之间的夹角小于45°，一般为30°(图1)等等。以上定性地介绍了各种断层发生时三向主应力与地质构造的关系。

图1各种断层发生时主应力与断层构造的相应关系

Fig.1 Relationship between principal stresses and faul

structures during occurrence of different faults

各断层发生时三向主应力的大小则要根据摩尔-库仑理论来确定[1]：

式中：0C 为岩石单轴抗压强度(MPa)，α为断裂面上的法线方向与最大主应力方向间的夹角。

文[2]认为，地质构造发生后对正断层而言，最小主应力3σ仍是垂直于断层走向的水平应力⊥h σ；对逆断层而言，最大主应力1σ也是垂直于断层走向的水平应力⊥h σ。

本文对全国13个大油区86个断块油田近千口钻井用水压致裂测试了地应力。测试结果表明，无论这些油田的断层是正断层还是逆断层，压裂裂缝的方向基本是垂直于断层走向的，即最小主应力均是平行于断层迹线的水平应力。

本文提出了断层发生后地应力计算方法。与文[2]的计算方法相比，一方面主应力量值变化的计算结果较符合实际，另一方面也很好地解释了为什么在断裂发生后平行于断层迹线的水平应力是最小主应力。

2天然裂缝与人工压裂裂缝方向分布规律

2.1天然裂缝方向分布规律[3]

松辽盆地储油层主要是白垩系，有大庆和吉林油区。油田构造地质断层为正断层，以吉林前郭县城到黑龙江安达市一线为界。以东的油田(扶余、新民、台头、榆树林、朝阳沟等)断层走向为N ～NE40°。以西的油田(大安北、乾安、新立、新站、喇嘛等)断层走向为N ～NW50°。该盆地储集层天然裂缝方向与断层走向基本一致。油田储油层埋深为1 100～1 800 m 。渤海湾盆地大部分油田的储油层是第三系，盆地的断层以正断层为主。济阳坳陷主断层走向平均为NE50°，其余坳陷主断层走向为NE40°左右。该盆地5个第三系油区(华北、大港、辽河、胜利和中原)36个断块油田的天然裂缝分布方向为NE20°～80°，近80%的裂缝方向为NE42°～55°，它们与主断层走向基本平行。油田储油层埋深为3 000 m 左右。

新疆分三大油区：克拉玛依油区、塔里木油区和吐哈油区。新疆曾发生过海

西早期运动、海西晚期运动、印支运动和喜山运动等。由于塔里木板块和准噶尔板块俯冲、碰撞和挤压，出现天山和南天山的褶皱带，以及塔里木和准噶尔二大盆地。在盆地和边缘出现若干逆断层和隆起背斜等不整合的构造。大多数油田的分布与逆断层有关。在克拉玛依油区，七区油田天然裂缝方向为NE75°左右，风城油田为NE40°；在吐哈油区，鄯善油田天然裂缝方向为NE45°，丘陵油田天然裂缝方向为NE60°。各断块油田天然裂缝方向虽不相同，但均与本油田逆断层走向大致平行。克拉玛依油区油田储油层埋深为3 000 m 左右，塔里木油区油田储油层埋深为4200～4 500 m 。

2.2人工压裂裂缝方向分布规律[3]

用水压致裂测试地应力时，是将高压液体送到钻井压裂井段，且使高压液体的压力不断升高，直到井壁发生破裂。一旦井壁发生破裂，高压液体的压力将突然下降，形成峰值压力。当裂缝延伸达5min 后，突然停泵，裂缝发生闭合，这时液体的压力正是对应地层的最小主应力值。利用压裂井周围3口井接收到的地层岩石破裂产生的微地震波的时间差，可测定水力压裂裂缝位置及其延伸方向和裂缝长度。垂直人工压裂裂缝迹线的方向即是最小主应力方向[4]。

在大庆萨尔图和喇嘛地区，油田开发初期人工压裂裂缝均为水平裂缝(井深800～1 200 m)。在近20 a 的开发过程中，裂缝逐渐转为垂直。松辽盆地人工压裂裂缝方向大致垂直于断层走向，如新民油田人工压裂裂缝为EW ～NW(10°～40°)，断层走向为N ～NE40°。渤海湾盆地人工压裂裂缝大部分为NW 向，与NE 向的天然裂缝近乎正交。克拉玛依七区油田逆冲断层走向为NW ～EW ，人工压裂裂缝方向为SN ～NE(10°～40°)。吐哈盆地丘陵油田在逆掩断层的上盘，人工压裂裂缝方向为NW45°左右。塔里木盆地解放渠东油田逆冲断层走向为NE20°，人工压裂裂缝方向为NW60°～80°。

3正断层与逆断层形成前后的垂直于断层迹线的水平应力和垂向应力之间的比值计算

3.1正断层形成前后的水平应力和垂向应力之间的比值

正断层形成前的主应力的分布如图1所示：1σ=v σ=γZ ，3σ=⊥h σ，此时垂直

于断层迹线的水平应力(最小主应力)和垂向应力(最大主应力)之间的比值K a 可由式(1)推得[2]为

式中：0C 为岩石单轴抗压强度(MPa)，γ为岩石容重(kN/m3)，Z 为垂直深度(m)。

正断层形成后，地层处于稳定状态。这时水平应力h *

σ和垂向应力v *

σ均可

分解成平行于和垂直于断层面的分力(图2)，其平衡表达式为