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2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学), 四川 成都 610059;
3. 中国石化华北油气分公司石油工程技术研究院, 河南 郑州 450006;
4. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China;
3. Petroleum Engineering Technology Research Institute, North China Oil and Gas Branch of Sinopec, Zhengzhou 450006, Henan, China;
4. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
[Objective] Dingbei area of Ordos Basin is rich in tight gas resources of Upper Paleozoic and has great exploration potential. However, faults are widely developed in this area, and the characteristics of geostress field near the fault zone are unknown, which seriously restricts oil and gas exploration and development in this area. [Methods] This paper conducts a detailed analysis of the characteristics of the Upper Paleozoic geostress field in the study area based on differential strain experiment, acoustic emission experiment, logging interpretation of geostress size, wave velocity anisotropy experiment, paleomagnetism experiment, imaging logging and dipole acoustic logging data interpretation of geostress direction, numerical simulation and other methods, in order to find out the distribution characteristics and disturbance mechanism of the geostress field in Dingbei area. [Results] The three−dimensional stress of Upper Paleozoic in Dingbei area has the characteristics of vertical principal stress>maximum principal stress>minimum principal stress, and the regional geostress field is mainly controlled by the fault zone, and the stress disturbance degree is related to the fault location, fault scale, fault genesis and other factors, among which the three−dimensional stress in the karst fault zone is relatively lowest. The direction of regional principal stress field is N35°E~N45°E. The direction of reservoir geostress is mainly controlled by the direction of regional principal stress field and fault zone, and the range and degree of geostress disturbance caused by different types of fault zones are different, among which the range of geostress disturbance is mainly affected by fault strike and fault length. [Conclusions] Based on the research on the characteristics of geostress field, this paper clarifies the distribution characteristics and disturbance law of geostress size and direction in Dingbei area, discusses the disturbance mechanism of different genetic fault zones on geostress size, and establishes a prediction model for the disturbance width of geostress direction in the research area, which has important reference value for subsequent well pattern deployment and fracturing reconstruction.
随着非常规油气资源的不断消耗，以页岩气和致密砂岩油气为主的非常规油气资源勘探开发成为国家重大战略需求（何建华等，2022；黄滔等，2023）。近年来，随着榆林、苏里格、大牛地等大气田的发现，鄂尔多斯盆地上古生界表现出了极好的致密气资源（贾爱林等，2022）。定北地区作为中国石化在鄂尔多斯盆地的重要探区之一，以上古生界盒1段、山西组及太2段为主要开发层，并在近年来的勘探开发中取得了多次重要突破（吴小奇等，2019）。然而，已有钻探及测试结果表明，定北地区经历多期构造运动，区内断裂广泛发育且差异性大，储层地应力大小、方向变化复杂，规律性不明确，难以满足后续工程甜点评价及储层改造要求。因此，准确查明区域地应力场分布特征及扰动规律对定北地区致密气安全高效开发至关重要。
针对断裂对地应力状态的扰动机制研究，国内外已有不少学者开展了相关工作（苏生瑞，2001；单钰铭等，2010）。前人研究多借助于实验和有限元数值模拟的手段，研究了断层的活动性、规模、弹性模量、几何形态及断层组合、边界应力比等因素影响下断层及其周围应力场的分布规律（苏生瑞等，2002；孙礼健等，2009；贾晓亮等，2010；赵钰挺等，2015；陈世杰等，2020）。但这些研究往往集中于断层对地应力场影响的变化规律上，尚缺乏从岩石力学和力的叠加合成角度揭示其深层的力学机理，且这些描述大多以定性描述为主，而对于断层及其附近地应力场扰动程度和扰动范围的定量评价研究明显不足（刘中春等，2016；翁剑桥等，2020）。目前亟需构建一套针对不同类型断裂带引起的地应力扰动范围与程度的定量评价技术，这对于此类复杂断裂区的水平井井位部署、钻井方位及水力压裂设计等至关重要。
为此，本文以定北地区上古生界主要开发层盒1段、山西组及太2段为例，通过多方法融合的实验测试和测井解释开展研究区目的层单井地应力特征的精细解析。在此基础上，进一步开展地应力场数值模拟工作，并以主要产气层太2段为例，重点分析研究区地应力场分布特征及其扰动机制。
2 地质背景定北地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中段的西缘，与天环坳陷东缘相接（图1a），横跨两个构造单元，现今构造形态整体显示为北东高、西南低的倾斜缓坡，构造幅度相对较为平缓（吴小奇等，2019）。受加里东运动影响，定北地区在奥陶系末期遭受长期风化剥蚀，缺失了志留系、泥盆系及下石炭统。上古生界主要沉积了石炭系与二叠系，地层自上而下依次为石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组及太原组，并与下伏马家沟组呈不整合接触（李傥等，2023）。
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图 1 研究区地质背景图 a—研究区构造位置图（据刘洪平，2017修改）；b—不同时期构造应力场；c—太原组底面相干切片图；d—工区主要断裂分布图 Fig. 1 Geological background map of the study area a−Tectonic location map of the study area (modified from Liu Hongping, 2017)；b−Tectonic stress field at different times；c−Taiyuan Formation bottom surface coherent slice map；d−Distribution map of main faults in work area |
鄂尔多斯盆地自古生代以来经历了多个构造演化阶段，在加里东期—喜山期依次形成了近南北向、北东—南西向和北西—南东向的区域性挤压构造应力场（图1b），区域构造运动复杂（徐黎明等，2006；张岳桥和廖昌珍，2006；罗建强和何忠明，2008；齐宏伟和沈杰，2023）。受多期构造运动叠加控制，定北地区断裂系统发育复杂。通过三维地震资料切取地震剖面和相干切片，在研究区内共识别出200余条断裂（主要断裂38条）（图1c）。笔者在对断裂特征（包括产状、级别、形成期次等）进行精细刻画的基础上，进一步根据断裂成因及规模将其划分为7个主要的断裂带（图1d）。其中哈巴湖（主断裂）、北大池和柳杨堡断裂带主要受马家沟组溶蚀作用影响，地震剖面上可观察到明显的地层垮塌现象，整体呈现“下宽上窄”的结构，断距向上逐渐减小，且断裂走向与地下溶沟流向一致，属于典型的“断−溶−塌”型（即先断后溶再塌）断裂（图2）。
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图 2 研究区哈巴湖断裂典型剖面（剖面位置见图1d） Fig. 2 Typical section of Habahu fault in the study area (see Fig.1d for the location of the section) |
明确定北地区构造演化背景及断裂体系特征对富集规律认识和储层改造具有重要意义（张威和卢涛，2019；赵荣华，2021），同时也是开展后续地应力场研究工作的重要基础。
3 单井地应力测试及解释结果 3.1 单井地应力大小测试及解释结果本文主要采用岩心测试（差应变和声发射实验）与压裂标定测井的地应力大小解释方法。其中差应变实验采用TAW−1000三轴伺服试验系统进行测试，声发射实验采用RTR−1000三轴伺服测试系统结合SAEU2S声发射检测系统进行测试。为提高声发射实验精度，本文通过压裂资料求取水平最小主应力，并结合声发射能量与振铃计数联合标定Kaiser效应点（图3）。
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图 3 DB13井太2段2号样品45°声发射曲线图 Fig. 3 45 Acoustic emission curve of sample No.2 of Well DB13 Tai 2 |
4组声发射实验和7组差应变实验所得的三向应力结果（表1，表2）表明，最大水平主应力为61.59~76.54 MPa，平均为69.27 MPa；最小水平主应力为53.59~65.26 MPa，平均为59.03 MPa；垂直主应力为82.76~97.00 MPa，平均为89.63 MPa。两种实验测试结果较为接近，三向应力之间具有垂向主应力>最大主应力>最小主应力的特征，属于Ⅰa类地应力类型。
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表 1 定北地区上古生界差应变实验结果 Table 1 Experimental results of Upper Paleozoic differential strain in Dingbei area |
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表 2 定北地区上古生界声发射实验结果 Table 2 Acoustic emission experiment results of Upper Paleozoic in Dingbei area |
由于实验结果有限，为进一步建立研究区全井段地应力剖面，本文主要采用黄式模型进行计算，其模型如下（黄荣樽和庄锦江，1986）：
| $ \left\{\begin{array}{c}{\sigma }_{{\mathrm{H}}}=\dfrac{\mu }{1-\mu }\left({\sigma }_{{\mathrm{v}}}-a{P}_{{\mathrm{p}}}\right)+A\left({\sigma }_{{\mathrm{v}}}-a{P}_{\mathrm{p}}\right)+a{P}_{\mathrm{p}}\\ {\sigma }_{\mathrm{h}}=\dfrac{\mu }{1-\mu }\left({\sigma }_{{\mathrm{v}}}-a{P}_{{\mathrm{p}}}\right)+B\left({\sigma }_{\mathrm{v}}-a{P}_{\mathrm{p}}\right)+a{P}_{\mathrm{p}}\\ {\sigma }_{{\mathrm{v}}}=\rho gh\end{array}\right. $ | (1) |
| $ \left\{\begin{array}{c}\alpha =1-\dfrac{K}{\left[{\rho }_{{\mathrm{m}}}\left(\dfrac{1}{{t}_{{\mathrm{pm}}}^{2}}-\dfrac{4}{{3t}_{{\mathrm{sm}}}^{2}}\right)\times \beta \right]}\\ K=\dfrac{E}{3\left(1-2\mu \right)}\end{array}\right. $ | (2) |
式中，σH为水平最大主应力，MPa；σh为水平最小主应力，MPa；σv为垂向主应力，MPa；A、B为构造应力系数，无量纲；α为Biot系数，无量纲；Pp为孔隙压力，MPa；K为体积模量，MPa；ρ为岩石密度，g/cm3；h为深度，m；ρm为岩石骨架密度，g/cm3；tpm为岩石骨架纵波时差，μs·ft−1；tsm为岩石骨架横波时差，μs·ft−1；β为相关系数，无量纲，取为9.299×107；E为杨氏模量，GPa；μ为泊松比，无量纲。其中Pso通过压裂资料获取，Pp通过地层压力系数计算得到，E和μ通过三轴压缩实验结合测井资料获取。
公式（1）中A和B系数难以直接确定，需要利用岩心测试的三向应力结果代入公式（1）中，结合测井及压裂资料获取的Biot系数、泊松比和地层孔隙压力等进行反算得到。根据上述方法，建立了研究区内28口直井的单井地应力剖面，明确了上古生界目的层岩石力学性质及地应力参数在纵向上的连续变化规律（图4）。将测井解释结果与岩心测试及压裂解释结果进行对比，整体吻合效果较好，误差率在7%以内，表明本次建立的测井计算模型在研究区内有较好的适用性。
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图 4 DB23井上古生界单井地应力剖面 Fig. 4 Geostress profile of single Well DB23 in Upper Paleozoic |
地应力方向判定方法众多，基于研究区实际资料情况，本文主要采用“岩心测试−井筒结构恢复−近井筒波速各向异性提取”的地应力方向判定技术。利用波速各向异性及古地磁实验完成了研究区9口井的地应力方向测试，首先通过GCTS-RTR-2000多功能岩石力学仪进行波速各向异性实验确定最大主应力方向相对于标志线的夹角，再结合黏滞剩磁测量仪进行古地磁定向实验确定标志线相对于地理北极的夹角，进而计算得到水平最大主应力方向。井筒结构恢复主要利用成像测井资料识别井壁崩落和诱导压裂缝从而判断水平主应力方向。如图5a所示，成像测井中呈近180°对称的不均匀暗色条带影像特征可判定为井壁崩落，其崩落宽度通常较大且会出现较多椭圆形的黑洞。而成像测井中呈倒“八”字形态的羽状暗色条带可判定为诱导压裂缝（图5b），其缝宽较细且较井壁崩落更易出现。近井筒波速各向异性提取主要通过偶极声波测井资料观察快慢横波方位从而确定水平主应力方向，偶极声波各向异性图像识别结果易受岩性变化影响，在砂岩与泥岩互层段局部发生变化（图5c），且整体可信度随地层各向异性增强而增强。
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图 5 地应力方向测井解释结果图 a—DB27井3734~3737 m井壁崩落指示地应力方向51°±5°；b—DB23井3858~3863 m诱导缝指示地应力方向68°±5°；c—DB23井4020~4035 m偶极声波各向异性图像指示地应力方向69°±5° Fig. 5 Interpretation result diagram of geostress direction logging a−Well DB27 3734−3737m wall collapse indicates the direction of ground stress 51°±5°; b−Well DB23 3858−3863 m induced joints indicative of ground stress direction 68°±5°; c−Well DB23 4020−4035 m dipole acoustic anisotropy images indicate 69°±5° geostress direction |
通过多方法综合对比分析，完成了研究区内11口井的地应力方向判定。从结果（图6）分布来看，研究区目的层地应力方向存在区域差异，在远离主断裂区域，最大主应力方向为N33.95°E~N48.05°E。在靠近主断裂时，地应力方向发生不同程度的偏转，表现为与断裂走向接近平行。
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图 6 定北地区上古生界单井地应力方向分布图（底图为太2段底部构造图） Fig. 6 Distribution map of geostress direction of Upper Paleozoic single well in Dingbei area (the base map is the bottom structural map of Tai 2 member) |
针对定北地区复杂断裂带附近地应力场分布特征及扰动规律不明的问题，笔者采用目前主流的有限元数值模拟手段对三维地应力场的空间分布进行预测，主要包含5个步骤（鲜成钢，2018；徐珂等，2020；张小菊等，2022；刘英君等，2022）：①基于构造形貌、断裂发育、沉积相展布建立三维地质模型；②基于岩心测试、测井解释等完成实际井和人工井的岩石力学参数赋值；③基于断裂期次及裂缝发育情况完成断裂的岩石力学参数赋值；④以井点为约束，择优设置边界加载条件；⑤检验模拟结果的可靠性。
4.1 模型建立及边界条件定北地区上古生界目的层属正常沉积，构造形貌差异不大，但各层的沉积环境存在一定变化（李傥，2023）。考虑到砂泥岩层的岩石力学属性差异，笔者基于各层的沉积相展布设置了不同的砂地比边界条件。在此基础上，结合构造及断裂数据通过Rhino软件完成了研究区三维地质模型的构建（图7）。在分区赋值的过程中，由于区块地质模型与边界存在一定距离，为进一步提高模拟精度，消除边界效应，在工区周边加入了33口人工井设置。人工井的岩石力学参数赋值是其中的一个难点，笔者首先基于实际井资料将砂地比与杨氏模量和泊松比建立关系，再根据人工井的砂地比值确定其对应的岩石力学参数。此外，由于在储层断裂形成过程中，其内部部分能量得以释放（徐珂等，2022），所以断裂的力学性质研究也是一大难点。为明确断裂内部岩石力学属性，笔者借鉴了含裂缝介质岩石的等效力学性质计算方法。依据前人研究（吕晶，2017），若岩石基质存在多条裂缝，其等效杨氏模量和泊松比可根据式（3）计算得到。在公式（3）中，其计算关键在于断裂裂缝率的确定，笔者首先基于断裂期次将所有断裂划分为3类，进而根据断裂带附近井岩心裂缝发育情况来分别赋予其对应的裂缝率值，从而得到其等效岩石力学参数。在上述力学模型构建完成的基础上，基于井点结果作为约束，通过反复尝试从而择优确定如下边界条件：在模型顺时针旋转65°方向上加载水平最大主应力，纵向范围在61.59~74.33 MPa；水平最小主应力与水平最大主应力方向垂直，纵向范围在55.22~65.26 MPa；在模型上方施加垂直主应力，纵向范围在91.47~97.00 MPa。
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图 7 研究区地质模型图 a—小层层面；b—断层模型网格剖分图；c—加边界的地质模型 Fig. 7 Geological model map of the study area a−Plane of stratum minor; b−Fault model grid sections; c−Geological model with boundary |
| $ \begin{split} &\;\\[-6pt] &\left\{\begin{array}{c}{E}^{`}=\dfrac{{S}^{`}}{\sum _{i=1}^{N}\dfrac{{S}_{i}}{{E}_{i}}+\sum _{j=1}^{M}\dfrac{{S}_{j}}{{E}_{j}}}\\ {\mu }^{`}=\dfrac{\sum _{i=1}^{N}\dfrac{{{\mu }_{i}S}_{i}}{{E}_{i}}+\sum _{j=1}^{M}\dfrac{{{\mu }_{j}S}_{j}}{{E}_{j}}\mathrm{cos}2{\alpha }_{j}}{\sum _{i=1}^{N}\dfrac{{S}_{i}}{{E}_{i}}+\sum _{j=1}^{M}\dfrac{{S}_{j}}{{E}_{j}}}\end{array}\right. \end{split} $ | (3) |
式中：E`为含裂缝介质的等效杨氏模量，GPa；μ`为含裂缝介质的等效泊松比，无量纲；α为裂缝与最大主应力方向的夹角，°；S`为含裂缝介质单元的总面积，m2；Si为岩石基质的面积，m2；Sj为含裂缝介质单元的面积，m2；Ei为岩石基质的杨氏模量，GPa；Ej为裂缝内充填介质的杨氏模量，GPa；μi为岩石基质的泊松比，无量纲；μj为裂缝内充填介质的泊松比，无量纲。
4.2 模拟结果与误差分析通过有限元数值模拟及计算，得到了定北地区上古生界盒1段、山2段、山1段及太2段四个层段的现今地应力场分布特征。由于篇幅有限，本文着重选取了定北地区未来主力开发层太2段进行详细研究。将太2段模拟结果与实测结果进行对比（表3，表4），三向应力误差值平均在4.42 MPa，差应力误差值平均在2.09 MPa，地应力方向误差值平均在15.53°。其中DB27井由于位置特殊，恰好位于帚状形的北大池溶塌断裂带交汇部位，并且极为靠近哈巴湖主断裂，应力方向较为复杂，导致该井的地应力方向模拟结果与实测结果偏差较大。在排除该异常点的情况下，地应力方向平均误差值降到7.26°。上述结果均在行业允许的误差范围内，表明此次模拟结果具有较高的精度。
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表 3 定北地区太2段现今地应力大小模拟结果及误差分析 Table 3 Simulation results and error analysis of current geostress in Tai 2 member of Dingbei area |
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表 4 定北地区太2段现今地应力方向模拟结果及误差分析 Table 4 Simulation results and error analysis of current geostress direction of Tai 2 member in Dingbei area |
地应力状态影响因素众多，不同构造区的应力扰动主控因素不尽相同。针对定北地区而言，复杂断裂带对地应力的扰动作用十分显著。从地应力大小模拟结果（图8）来看，定北地区太2段水平最大主应力普遍在64 MPa以上，水平最小主应力普遍在56 MPa以上，水平差应力普遍在3~12 MPa以内。由应力分布来看，区内地应力场大小变化频繁。在断裂带内部，应力释放现象明显，三向应力均急剧减小，并且最小主应力的应力释放程度相对最高。断裂内部水平最小主应力平均为42 MPa，降幅达25%左右。而在断裂带附近，三向应力值相对较低，水平差应力值相对较高，其应力扰动程度与断裂部位、断裂规模、断裂成因等因素有关。
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图 8 定北地区太二段主应力和差应力分布模拟图 a—垂直主应力分布图；b—水平最大主应力分布图；c—水平最小主应力分布图；d—差应力分布图 Fig. 8 Simulation diagram of principal stress and differential stress distribution of Tai−2 member in Dingbei area a−Vertical principal stress distribution; b−Horizontal maximum principal stress distribution; c−Horizontal minimum principal stress distribution; d−Differential stress distribution |
在仅考虑单一断裂影响下，断裂中部扰动相对较弱，靠近断裂端部或转折端时，应力扰动变强。该部位的差应力值达到最高，平均在12 MPa左右，属于强应力扰动区。此外，与分支断裂相比，哈巴湖主断裂附近的应力扰动范围相对较大。单一断裂的应力扰动规律较为普遍，在不同地区皆有类似的特征（Li et al.，2014）。但在实际研究过程中，断裂往往呈断裂带形式发育，应力扰动受到多条断裂的共同影响（李静等，2021）。在断裂组合内部及断裂交汇部位，应力扰动作用较为复杂，扰动范围异常增大。
此外，在系统梳理定北地区断裂体系特征的基础上，笔者认为研究区内主要发育两种成因的断裂。其中以哈巴湖主断裂为典型，包括其两侧的北大池及柳杨堡断裂带，断裂形成受到了岩溶塌陷与构造挤压作用的双重影响，属于溶塌型断裂带。而其余断裂带没有受到岩溶作用影响，属于正常构造挤压型断裂带。根据多源数据综合显示，溶塌型断裂带区域三向应力相对较低，其水平最小主应力平均在59.29 MPa，较非断裂带区域和挤压型断裂带区域其水平最小主应力平均值分别降低了5.94 MPa和2.26 MPa。
为进一步揭示溶塌型断裂带对地应力大小的扰动机制，本文从影响机理角度对其进行了初步的探讨及分析。断裂带主要由中部的滑动破碎带及两侧的诱导裂缝带组成，向外逐渐过渡为正常的围岩（陈伟等，2010）。由于断裂带内部不同结构单元的物质组成和裂缝发育程度等存在一定差异，造成其物性及岩石力学性质的差异，从而导致断裂带及其附近地应力场的变化（徐珂等，2019）。断裂破碎程度会直接影响断裂内部地应力状态的波动，对应力扰动程度具有重要影响（Fu et al.，2023）。
根据岩心观察及测井资料显示，定北地区马家沟组以白云岩和灰岩为主，发育大量溶孔、溶洞，属于岩溶储层（图9a、b）。岩溶作用对后期地层及断裂影响较大，在岩溶垮塌边缘容易形成天然裂缝（张冲，2015；Liu et al.，2022），岩溶垮塌较为严重时还可能进一步形成溶塌型断裂。裂缝统计结果也进一步验证了这一现象，定北地区太二段裂缝集中发育于哈巴湖、北大池和柳杨堡等溶塌区，裂缝密度超过0.62条/m，岩心上可见其典型裂缝照片（图9c、d）。岩溶作用产生的天然裂缝在一定程度上增大了岩石破碎程度，导致了溶塌型断裂带及其附近岩石破碎程度高，应力释放较强，进而导致该区的三向应力较低。而构造挤压型断裂带区域较非断裂带区域岩石破碎程度中等，三向应力值介于溶塌区与非断裂带区中间。基于上述分析，本文初步建立了定北地区不同成因断裂带应力扰动模式图（图10）。
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图 9 定北地区岩心照片 a—DB18井马家沟组4008.56~4008.88 m，灰色灰质白云岩，见溶孔；b—DB18井马家沟组4012.08~4012.36 m，灰色白云岩，见垂直裂缝；c—DB16井太2段3842.75~3842.87 m，浅灰色中砂岩，见高角度裂缝；d—DB14井太2段3905.66~3905.83 m，浅灰色细砂岩，见垂直裂缝 Fig. 9 Core photos in Dingbei area a−Well DB18 Majiagou Formation 4008.56−4008.88 m, gray gray dolomite, see solution hole; b−Well DB18 Majiagou Formation 4012.08−4012.36 m, gray dolomite, see vertical cracks; c−Well DB16 Tai 2 section 3842.75−3842.87 m, light gray medium sandstone, see high angle cracks; d−Well DB14 Tai 2 section 3905.66−3905.83 m, light gray fine sandstone, see vertical cracks |
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图 10 不同成因断裂带应力扰动模式图 Fig. 10 Stress disturbance pattern diagram of fault zones with different genesis |
定北地区断裂带广泛发育，地应力场方向变化频繁，明确其地应力方向分布特征对后续井网部署至关重要。从地应力方向模拟结果来看，定北地区太二段区域主应力场方向为N35°E~N45°E。断裂对地应力方向的扰动作用十分显著，在断裂附近地应力方向发生不同程度地偏转，在断裂端部、断裂转折部位、平行断裂中部等处应力方向扰动程度相对较大。不同形态断裂对地应力方向的扰动特征存在差异，直线型断裂对断裂周围产生均匀扰动，断裂两端会产生应力方向集中；弧线型断裂在弧内部会产生应力集中式偏转，弧外部会产生较为平缓式偏转。从上述结果来看，断裂对地应力大小及方向的扰动特征具有相似规律，但值得注意的是，断裂对地应力方向的扰动范围相比于地应力大小更为广泛。以哈巴湖主断裂为例，其水平最小主应力扰动范围为1400 m，但地应力方向扰动范围却达到了2724 m（图11）。
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图 11 哈巴湖主断裂附近地应力扰动范围（测线L位置见图12） a—水平最小主应力扰动范围；b—地应力方向扰动范围（其中应力偏转角度是指地应力方向与N40°E方向的夹角） Fig. 11 Disturbance range of geostress near Habahu main fault (see Fig.12 for the position of survey line L) a−Disturbance range of horizontal minimum principal stress; b−Disturbance Range of geostress direction (where the angle of stress deflection is the angle between the direction of geostress and the direction of N40°E) |
为便于进一步研究不同类型断裂带引起的地应力方向扰动范围，将模拟结果中地应力方向偏离区域主应力场方向5°以上的区域定为地应力扰动带，据此绘制了地应力扰动带平面分布图（图12）。结果显示，断裂级别与断裂走向对地应力方向扰动范围的影响较大。在断裂级别相同的情况下，当断裂走向与区域水平最大主应力方向（N40°E）平行时，其扰动范围几乎不存在，而随着两者夹角的增大，其扰动范围也在不断扩大，在夹角达到90°时，断裂对应力方向的扰动范围达到最大。而在相同走向的情况下，断裂级别越大，其扰动范围也有所增大。此外，在断裂带内部区域，应力方向受到多条断裂的共同影响，扰动范围异常增大。
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图 12 定北地区地应力扰动带平面分布图（其他图例见图1） Fig. 12 Plane distribution map of ground stress disturbance zone in Dingbei area (other legends are shown in Fig.1) |
基于上述认识，为进一步定量化评价不同类型断裂引起的地应力方向扰动范围，针对单一断裂影响下的扰动宽度（W）、断裂长度（L）、断距（D）、断裂走向与区域主应力场方向的夹角（θ）进行了统计，其中扰动宽度是指断裂中部单侧方向上的扰动带宽度。在此基础上，将断裂各参数与扰动宽度分别进行拟合。前人研究认为D/L与W/L具有对数式的正相关关系（翁剑桥等，2020），可用来预测扰动宽度，但根据图13a可知，该预测模型并不适用于定北地区。因此，根据工区实际情况（图13b、c、d），本次研究引入了变量θ的影响并剔除了非重要变量D，通过非线性回归分析，构建了一套针对定北地区断裂引起的地应力扰动宽度预测模型（公式4）以及三维计算图版（图14），其拟合相关系数达到了0.88。利用该模型对研究区各断裂的扰动宽度进行计算，其计算结果与模拟结果平均吻合率达到了85%以上，可有效用来指导地应力方向扰动范围的预测工作。
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图 13 扰动宽度影响因素分析 a—断裂面形态；b—断裂长度；c—断裂走向与区域主应力场方向的夹角；d—断距 Fig. 13 Analysis of influencing factors of disturbance width a−Fault surface morphology; b−Fault length; c−Angle between the fault strike and the direction of the regional main stress field; d−Separation |
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图 14 扰动宽度三维计算图版 Fig. 14 Three−dimensional calculation chart of disturbance width |
| $ \begin{split} &\;\\[-6pt] &W=-4390.88+585.7808\times \mathrm{ln}L +18.2207\times \theta \\ & \left(2\leqslant L,0\leqslant \theta \leqslant 90{\text{°}}\right) \end{split} $ | (4) |
（1）鄂尔多斯盆地定北地区致密砂岩储层三向应力具备垂向主应力>最大主应力>最小主应力的特征，区内水平最大主应力普遍在64 MPa以上，水平最小主应力普遍在56 MPa以上，水平应力差普遍在3~12 MPa以内，区域地应力场方向主要为N35°E~N45°E。
（2）定北地区太2段地应力场大小主要受断裂带控制。在断裂带内部及其附近，三向应力值较低，水平差应力值相对较高，且在断裂端点和断裂转折部位差应力值达到最高。当多条断裂共同影响时，应力扰动程度及范围明显增大。不同成因断裂带区域地应力大小有所差异，具体表现为溶塌型断裂带区域<挤压型断裂带区域<非断裂带区域。
（3）储层地应力方向主要受区域主应力场方向和断裂带控制，不同类型断裂带引起的地应力方向扰动范围及扰动程度存在差异。在断裂端部、断裂转折部位、平行断裂中部等处应力方向扰动程度相对较大；而扰动宽度W主要受断裂走向与区域最大主应力方向的夹角θ以及断裂长度L所影响，三者具有较好的非线性相关关系，可用夹角θ和断裂长度L来预测扰动宽度W。
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