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ｒ＿］ 董 石胜群 （１．中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东东营２５７０６１；２．江苏联合技术学院，江苏南京２１ ｌ１ ５５） 摘要：构造运动及其作用强度也是影响岩石裂缝系统形成的关键因素，裂隙的产生同构造应力场分布密切相关。本文 应用三维构造应力场数值模拟技术，在运用先进的有限元建立真实盆地三维地质和数学模型，并对模型进行计算，然后 运用岩石断裂力学理论，进行构造裂缝发育密度－－ｂ能量值之间的定量关系研究。利用该技术对苏北盆地盐城凹陷裂缝储 层进行预测，较好地描述了泥岩、泥灰岩裂缝储层发育及分布规律。 关键词：三维构造应力场；有限元；数值模拟；裂缝 苏北盆地盐城凹陷的深凹带，在１９９７年底钻探的ｙｃｌ 井，在Ｅｆ２一Ｅｆｌ段地层中钻遇了泥岩、泥灰岩裂缝发育段，并 通过测试获得工业油流。这一重要发现揭示了泥岩、泥灰岩 裂缝性油气藏在该地区的存在。泥岩、泥灰岩储层与裂隙发 育程度密切相关，其油气聚集成藏规律也受裂隙分布控制， 因此预测裂隙发育带对裂隙型油气藏的发现至关重要。由于 裂缝的形成及分布除了受其岩性、成岩作用等方面的影响 推动力，使本区区域应力场转变为压性右旋剪切，郯一庐 断裂由左旋走滑变为右旋走滑。并在本区发生三垛事件。 盆地结束断陷期而进入坳陷期。三垛事件是本区重要的地 质事件，也是本区重要的成藏时期，油气就是在右旋压性 剪切应力场作用下运聚的。 现今期受太平洋板块和印度板块俯冲的影响，本区现 今主要受东西向挤压作用。 外，构造运动及其作用强度也是影响裂缝系统形成的关键因 素，裂隙的产生同构造应力场分布密切相关 。 ２ 数值模型的建立 （１）地质模型。古构造应力场研究必须依据古地质历 史时期的地质模型，而该地质模型建立属于现在未知范 畴，必须进行古构造形态的恢复。我们在研究过程中，采 用平衡剖面技术，对地质剖面进行了Ｅｓ未期构造形态恢 复，结果表明该Ｅｓ未构造形态，与现今构造形态存在一定 三维构造应力场数值模拟技术，运用先进的有限元进 行专用ＣＡＤ系统ＶＩＺＩＣＡＤ建立真实含油气盆地三维地质和数 学模型，并运用相应的软件进行三维构造应力场数值模拟 计算，建立有限元专用ＣＡＤ系统ＶＩＺＩＣＡＤ在含油气盆地三维 构造应力场数值模拟中的研究方法和建模的方法与步骤。 然后运用岩石断裂力学理论，依据岩石破裂准则进行构造 差异。对恢复Ｅｓ未构造剖面，根据工区范围、地层结构特 征、以及各层顶底而的构造特点，建立了三维地质模型。 裂缝发育密度与岩石破裂系数Ｉ＝ ｎ／［ ］（其中 ｎ为破 裂面上的剪应力， ［ ］为抗剪强度）的定量关系研究，依 据岩石内各点单位体积的弹性应变能进行构造裂缝发育密 度与能量值之间的定量关系研究，并进行两种方法对比研 究，从而提高其准确性。 １ 盐城凹陷构造应力场演化分析 苏北盆地区域构造应力场也在不同时期发生着改变 。 苏北盆地的演化总体分为 地形成期（Ｋ２Ｐ—Ｋ２Ｃ）、盆地断 阶期（Ｋ２ｔ－ＥＩｆ）、坳陷期（Ｅ２ｄ—Ｅ２ｓ）、现今期 。 盆地形成期（Ｋ２Ｐ—Ｋ２Ｃ）地壳处于松驰的北西一南 （２）数学模型的建立。构造应力场数值模拟普遍采用 有限元法方法进行，该方法是固体力学的一种数学方法，首 先将一个连续的弹性体分成有限个单元，单元之间以节点相 连，然后通过构造插值函数，利用节点的平衡条件求得节点 上位移的近似值，进而求出单元的应变和应力的近似值，然 后再将各单元综合起来进行整体研究 。对于地下裂隙发育 带预测问题，由于边界力的大小和方向常具有未知特性，故 需要结合构造地质分析，采用一系列的假设条件反复调试才 能定量化。边界条件确定过程正是石油地质构造运动过程的 再认识。通过区内地震解释资料、钻井资料、地质报告和岩 东向拉张应力环境，进入盆地拉张阶段，引起苏北一南黄 海盆地初始拉伸和沉降，郯一庐断裂发育为左旋走滑拉 伸；断阶期（Ｋ２ｔ－Ｅｌｆ）：北西一南东向拉伸扭力使东部 岩石圈产生单剪作用，导致岩石圈拆离和本区广泛的仪征 运动，形成不对称断陷盆地坳陷期（Ｅ２ｄ－Ｅ２ｓ）：印度板块与 亚洲板块相互碰撞（Ｋｌｏｏｔ ｗｉｊｋ ＣｈｒｉＳ），产生强大的北向 石物性测试等综合分析，确定研究区内地质现象和构造规律 较吻合的力学模型边界条件（表ｉ）。 （３）计算结果及分析。模拟计算结果表明，Ｅｓ沉积末 期最大主压应力总体在一３Ｏ～一６０Ｍｐａ之问变化，平面上应力 高低起伏不同，最大主压应力在南洋次凹的中部，及深凹 带的西部相对较大，而在深凹带东部朱家墩构造带及斜坡 盘湾、洋马港构造最大主压应力值相对较小，因最大主应 收稿日期：２００８—０８—１７修回日期：２００８—０９—１６ 作者简介：石胜群（１ ９６９一），女，高级工程师，现从事地质专业教学研究工作。 ０１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国西部科技 ２００８年９月（下旬）第０７卷第２７期总第１ ５２期 力高压值区所围限的低值区是有利的油气聚集区。应力值 目的层Ｅｆ２一Ｅｆｌ、Ｋ２ｔ段，朱家墩地区为最大主应力低值 区，周围为最大主应力高值区，故工区区为油气聚集有利 地区，这与实际勘探地质情况相吻合。该时期盐城最大主 应力方向近北东向（图１）。 地层 显然，若某处Ｉ＜１，则此处地层尚未发生剪破裂，若 Ｉ＞１，则在此地层中已发生了剪破裂，若Ｉ＞＞１，表明这 里早已发生了剪破裂，若Ｉ＜＜ｌ，意味着这里距发生剪破 裂的发育相差甚远，圃破裂系数的大小指示了地层中是否 能形成剪破裂和剪破裂的发育程度。由此可以计算出Ｅｓ沉 泊松比 密度 弹性模量（Ｅ） 备注 积末期Ｅｆ２顶界面上岩石破裂系数等效值相对值（图２）。 （ｇ／￣ＩＤ３） Ｉｐａ Ｎｙ＋Ｑｄ ２．１８ １．７５１０４ ０．３２ Ｅｇ＋Ｅｄ ２．３５ ２．８５１０４ ０．２９ Ｅ ＋３ ２．４ ２．８５１０４ ０．２９ 断裂带密废值与 Ｅｆ２＋１ ２。４４ ３．０５１０４ ０．２７ 所巍地层密度相 Ｋ２ｔ ２．４ ３．７５１０４ ０．２４ 同 基底 ２．５ ３．７５１０４ ０．１ｉ 断层 １．Ｔ５１０４ ０．３８ 表１工区兰维模型岩石力学参数表 剪应力表现为正值区，大小在２０￣６０Ｍｐａ之问变化，在 不同层位之间剪应力分布具相似性，在新①断层及盐①断 层附近，剪应力具有明显的高值，而其近北东东向展布的 断裂附近的剪应力为低值区。 Ｎ 图１盐城凹陷Ｅｓ沉积末期最大主应力方向示意图 主应力分量的符号在本文研究中采用岩石力学的规 定：正值为挤压应力；负值为拉张应力，裂隙有利区带应 寻找主应力负值的拉张区，因为对于特定岩体拉张应力更 易于产生裂隙。对于剪切应力则应选择相对高值区域，因 为剪切应力的高值区一般同裂隙有利发育带是相关的。 ３ 裂缝研究预测 在预测裂隙发育有利区带问题上，要以剪切应力分布 情况为主，主应力分布情况为辅，适当结合构造走向和区 内已知的岩石物性分布，而不能单一的从一种变量的数值 分布进行判断。 在三维构造应力场数值模拟计算结果分析中，我们引 用破裂系数概念，岩石形变比能概念，对裂缝进行预测。 ３．１从岩石破裂准则方面分析裂缝发育情况 依据岩石破裂准则方面分析裂缝情况判断岩石在力的 作用下，是否发生剪破裂，往往采用库仑破裂准则： ［Ｔ］＝ｔ Ｏ－０ ｎ×ｔｇ 。 其中 ０为岩石的粘聚力， 为内磨擦角，ｏ ｎ为剪破 裂面的正应力， ［ｔ］是抗剪能力。设剪破裂面上的剪应 力为 ｎ，库仑准则的实质在于 ｎ＞［ ］，则认为岩石发 生了剪破裂，这里引进“破裂系数（Ｉ）”的概念。 破裂系数Ｉ的定义是： Ｉ＝ｌ ｎ／［ ］ｌ。 ０２ 图２工区Ｅｓ沉积末期Ｅｌ２地层顶面破裂系数相对大小分布图 排除边界效应从图中可以看出破裂系数相对最大区位 于Ｙ②、Ｙ③断层之间，指南、洋马港地区破裂系数相对值 较大，说明朱家墩地区、指南地区及洋马港地区为Ｅｆ２裂缝 总体表现为较发育，而这些地区内平面上破裂系数值有一 定变化。 ３．２从岩石能量方面分析裂缝发育情况 弹性变形固体内任一点元素体的应变比能用主应力表 示为： ：去［（。１２＋。２２＋。３２）一２ ｕ（。ｌ。２＋。２。３＋。 １ ０ ３）］。 式中Ｅ为弹性能量，ｕ为泊松比，而上式所给出的变形 比能可以分为两部分，即体积改变比能（Ｗｖ）和形状改变比 能（Ｗｄ）：ｗｖ＝ （０ １＋ｏ ２＋ｏ ３）２；Ｗｄ＝ ［（ｏ １一ｏ ２）２＋（ｏ ２一ｏ ３）２＋（０ １—０ ３）２］。 裂缝发育与形状改变有关，三维构造应力场数值模拟 Ｓｕｐｅｒ ＳＡＰ后处理给出了Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力（ ［（ｏ １一ｏ ２）２＋（０ ２—０ ３）２＋（ｏ卜０ ３）２］１／２，即形状改变比能理论 的等效值。通常认为彤状改变比能大的地区比小的地区裂 缝要发育一些。 根据Ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力，参照各层岩石力学参数，计算出 任一目标 『｛１问界面上岩石形状改变比能的大小（图３）， 结果朱家墩构造高部位及洋马港构造高部位形变比能值相 对较大，为裂缝相对发育区，与破裂系数预测裂缝发育情 况基本一致。这与朱家墩地区钻井、电测、取芯及多种方 法预测裂缝结果相验证；在洋马港构造高部位，ｙｃｈｌ井 （下转第５ ９页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 厂＿］ 垄堕 ３ 电路应用的扩展 以下是上述电路的扩展应用，如图３所示，从ａ（外） ＋５Ｖ 到ｂ（内）时，通过智能控制系统，在Ｍ１门外侧按下ＥＮＴＥＲ键 Ｍ１门打开，人进入，外部系统Ｑ１开始计数：同理，走出时 在Ｍ２门里侧按ＯＵＴ键Ｍ２门打开，内部系统Ｑ２计数，计数值经 显示器 单片机内部软件处理送至显示装置。门的两侧（如图）各 装上述计数系统Ｑ，门中部放置信号隔离装置，避免两Ｑ装 置中的传感器产生信号干扰，Ｍｌ门进入时产生的信号不影 ，Ｉ￣Ｑ２传感器即信号传不到隔离装置另一边来。如果传感器 用电信号实现，则隔离装置隔离电；光信号，隔离光，依 此类推。从里到外时，只能经过Ｍ２门：反之，只能经过 Ｍ１门。如图３在隔离区上部放显示装置指示进出差值。 ４ 结语 上述电路系统广泛运用到各种计数控制领域中，比如 记录停车场车辆数，当满载时，ＬＥＤ显示器显示数目，用控 制电路显示“满载“信息”或自动提示无车位；电梯中可 图１系统电路示意图 Ｑ 装配该电路进行控制；学工处教务处可在教室门口装上上 述电路系统并运用现场总线技术远程传输学生的出勤率。 参考文献： ［１］秦曾煌．电工学上册，电工技术：下册，电子技术［Ｍ］．北京：高等 教育出版社２００４，（１）． ［２］陈平，罗 晶．现代检测技术［Ｍ］．北京：电子工业出版 社，２００４，（５）． ［３］张国雄．测控电路第２版［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６，（２）． ［４］刘迎春，叶湘滨．传感器原理设计与应用［Ｍ］．长沙：国防科技大 学出版社，２００４，（２）． ［５］李朝青．单片机原理及接口技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出 版社，２００５，（９）． 图２电路安装示意图 图３电路应用的扩展 黧 攀 燕 熙 熙篓 篓 罐 哪 （上接第０２页） Ｅｆ２见到裂缝含油层，实际地质情况比较一致。 ４ 结束语 三维构造应力场模拟技术采用有限元法方法进行，依 据岩石破裂准则和岩石内各点单位体积的弹性应变能两种 方法预测裂缝的相对发育分布情况，两种预测结果较一 致，且与实际地质情况基本吻合，应用效果较为理想。 参考文献： ［１］张帆，贺振华，黄德济，唐湘蓉．预测裂隙发育带的构造应力场 数值模拟技术［Ｊ］．石油地球物理勘探，２０００，３５，（２）：ｌ５４～１６３． ［２］邱海峻等．苏北盆地构造演化研究进展［Ｊ］．地质通 报，２００６，２５，（９～１０）． ［３］马力，钱基，穆日孔等．苏北一南黄海盆地的构造演化和烃 类生成［Ｊ］．南京大学学报（地球科学版），１９９３，５，（２）：Ｉ４８～ １６３． ［４］陈子光．岩石力学性质与构造应力场［Ｍ］．北京：地质出版 社，１９８６：３３９￣３７７． 图３工ＮＥｓ末期Ｅｆｌ＋２地层岩石形变比能相对大小分布图 ３９