一种张扭断裂构造活动性定量评价方法及其物理模拟装置

摘要

本发明公开了一种构造物理模拟实验装置，涉及构造地质学及石油地质学技术领域,包括动力轴、扫描仪、撒砂装置、照相机、摄像机、砂箱，所述动力轴伸入砂箱中，所述扫描仪、撒砂装置、照相机均位于砂箱的上方，所述摄像机位于砂箱的前方；本发明还公开了一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，所述评价方法包括以下步骤：研究区构造活动性定量分析、构造应力场数值模拟、构造物理模拟实验以及构造应力场数值模拟与构造物理模拟实验相互验证修正。本发明方法结合了野外实测、构造解析、应力场数值模拟和构造物理模拟等方法，实现了扭张断裂构造活动性定量评价，具有普遍适用性和可操作性。

权利要求

1.一种构造物理模拟实验装置，包括动力轴、扫描仪（5）、撒砂装置（6）、照相机（7）、摄像机（11）、砂箱（12），其特征在于，所述动力轴伸入砂箱（12）中，所述扫描仪（5）、撒砂装置（6）、照相机（7）均位于砂箱（12）的上方，所述摄像机（11）位于砂箱（12）的前方，所述动力轴包括第一动力轴（1）、第二动力轴（2）、第三动力轴（3）、第四动力轴（4），第一动力轴（1）、第二动力轴（2）位于砂箱（12）的左侧，所述第三动力轴（3）、第四动力轴（4）位于砂箱（12）的后侧和前侧，所述第一动力轴（1）、第二动力轴（2）为走滑应力轴，所述第三动力轴（3）、第四动力轴（4）为拉张应力轴。

2.根据权利要求1所述的一种构造物理模拟实验装置，其特征在于，所述砂箱（12）由钢板（8）、挡板（9）、泡沫板（10）组成，所述挡板（9）在钢板（8）上围绕四周设置，所述泡沫板（10）位于挡板（9）的处。

3.根据权利要求2所述的一种构造物理模拟实验装置，其特征在于，所述钢板（8）上铺设有弹性布，所述弹性布上填入有天然石英砂。

4.一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述评价方法包括以下步骤：S1，研究区构造活动性定量分析，对研究区扭张断裂构造剖面进行平衡剖面恢复，确定构造发育演化阶段，明确各阶段构造变形特征，计算剖面各演化阶段伸展量；

S2，构造应力场数值模拟，确定研究区扭张断裂带的边界条件，通过研究区宏观构造和小构造确定古构造应力场方向；建立地质模型，将研究区测井资料计算与岩石力学实验综合得出岩石力学参数赋予地质模型，转化得出有限元力学模型，进行数值模拟计算；

S3，利用权利要求1所述构造物理模拟实验装置，进行构造物理模拟实验；

S4，构造应力场数值模拟与构造物理模拟实验相互验证修正，明确各构造演化阶段张应力、剪应力的大小和方向；以区域及局部应力场为约束，开展多组构造物理模拟实验，确定不同演化阶段、不同应力配比条件下构造样式，精确测量伸展量和走滑量，确定两者之间的定量关系，建立数学模型，实现扭张断裂活动性定量评价分析。

5.根据权利要求4所述的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述S1中在构造活动性定量分析精细解释基础上，截取垂直走滑应力方向的地震剖面，利用平衡剖面技术和2D‑3Dmove构造恢复软件，对研究区不同类型扭张断裂构造剖面进行平衡剖面恢复。

6.根据权利要求4所述的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述S1中计算剖面伸展量时需去除走滑派生产生的伸展量。

7.根据权利要求4所述的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述S2中采用ANSYS 15.0有限元分析软件，提取建立扭张断裂带地质模型，数值模拟计算，依据边界条件分析结果为有限元力学模型施加载荷，利用ANSYS 15.0中的ANSYS Structure加载运算，输出三向主应力分布云图及矢量分布图。

8.根据权利要求4所述的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述S3中通过在走滑应力方向设两个应力轴，拉张应力方向设两个应力轴，模拟伸展加走滑应力背景下构造发育；

拉张应力轴拉张速度确定方法：离散扭动形成的构造变形在垂直于走滑构造带方向有伸展位移分量，通过平衡剖面恢复确定各演化阶段伸展量，进而确定拉张应力轴的拉张速度；

走滑应力轴初始速度确定方法：基于数值模拟结果，确定各演化阶段张应力和剪应力，张应力/剪应力比值与拉张速度/走滑速度比值一致，从而确定走滑应力轴初始活动速度；

根据相似性公式，计算得到实验模型与地质原型之间的时间缩放比例，确定拉张应力轴和走滑应力轴运行时间，拉张应力轴和走滑应力轴的速度根据实验结果不断调整。

9.根据权利要求4所述的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，其特征在于，所述S4中建立的数学模型进行计算时，需减去走滑派生产生的伸展量。

说明书

一种张扭断裂构造活动性定量评价方法及其物理模拟装置

技术领域

[0001] 本发明涉及构造地质学及石油地质学技术领域，尤其涉及一种张扭断裂构造活动性定量评价方法及其物理模拟装置。

背景技术

[0002] 扭张断裂不同于一般的走滑断裂与伸展断裂，而是以伸展作用为主，走滑作用为辅的一种耦合应力场条件下形成的特殊断裂形式。随着我国东部油气勘探进入高勘探阶
段，一些低序级的扭张断裂对沉积储层、圈闭类型、油气运移聚集等的控制作用越来越凸
显。前人对扭张断裂综合识别方法的研究相对比较成熟，但对扭张断裂活动性定量分析、形
成机理及其控藏作用的研究尚处于起步阶段。

[0003] 定量表征扭张断裂活动性的走滑位移量是目前研究比较薄弱的环节，也是含油气盆地扭张断裂研究的难点问题之一，而恰恰扭张断裂走滑位移量与伸展量的大小配比关
系，决定了扭张断裂的构造变形组合样式，进而对含油气盆地物源通道、沉积类型、圈闭有
效性等油气成藏条件具有非常重要的控制作用。

[0004] 因此，提供一种有效的扭张断裂构造活动性定量评价方法对扭张断裂控藏作用具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种张扭断裂构造活动性定量评价方法及其物理模拟装置，其结合了野外实测、构造解析、应力场数值模拟和构
造物理模拟等方法，实现了扭张断裂构造活动性定量评价，具有普遍适用性和可操作性。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 一种构造物理模拟实验装置，包括动力轴、扫描仪、撒砂装置、照相机、摄像机、砂箱，所述动力轴伸入砂箱中，所述扫描仪、撒砂装置、照相机均位于砂箱的上方，所述摄像机
位于砂箱的前方。

[0008] 优选地，所述动力轴包括第一动力轴、第二动力轴、第三动力轴、第四动力轴，第一动力轴、第二动力轴位于砂箱的左侧，所述第三动力轴、第四动力轴位于砂箱的后侧和前
侧，所述第一动力轴、第二动力轴为走滑应力轴，所述第三动力轴、第四动力轴为拉张应力
轴。

[0009] 优选地，所述砂箱由钢板、挡板、泡沫板组成，所述挡板在钢板上围绕四周设置，所述泡沫板位于挡板的处。

[0010] 优选地，所述钢板上铺设有弹性布，所述弹性布上填入有天然石英砂。

[0011] 本发明还公开了一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，所述评价方法包括以下步骤：

[0012] S1，研究区构造活动性定量分析，对研究区扭张断裂构造剖面进行平衡剖面恢复，确定构造发育演化阶段，明确各阶段构造变形特征，计算剖面各演化阶段伸展量；

[0013] S2，构造应力场数值模拟，确定研究区扭张断裂带的边界条件，通过研究区宏观构造和小构造确定古构造应力场方向；建立地质模型，将研究区测井资料计算与岩石力学实
验综合得出岩石力学参数赋予地质模型，转化得出有限元力学模型，进行数值模拟计算；

[0014] S3，利用权利要求1所述构造物理模拟实验装置，进行构造物理模拟实验；

[0015] S4，构造应力场数值模拟与构造物理模拟实验相互验证修正，明确各构造演化阶段张应力、剪应力的大小和方向；以区域及局部应力场为约束，开展多组构造物理模拟实
验，确定不同演化阶段、不同应力配比条件下构造样式，精确测量伸展量和走滑量，确定两
者之间的定量关系，建立数学模型，实现扭张断裂活动性定量评价分析。

[0016] 优选地，所述S1中在构造活动性定量分析精细解释基础上，截取垂直走滑应力方向的地震剖面，利用平衡剖面技术和2D‑3Dmove构造恢复软件，对研究区不同类型扭张断裂
构造剖面进行平衡剖面恢复。

[0017] 优选地，所述S1中计算剖面伸展量时需去除走滑派生产生的伸展量。

[0018] 优选地，所述S2中采用ANSYS 15.0有限元分析软件，提取建立扭张断裂带地质模型，数值模拟计算，依据边界条件分析结果为有限元力学模型施加载荷，利用ANSYS 15.0中
的ANSYS Structure加载运算，输出三向主应力分布云图及矢量分布图。

[0019] 优选地，所述S3中通过在走滑应力方向设两个应力轴，拉张应力方向设两个应力轴，模拟伸展加走滑应力背景下构造发育；

[0020] 拉张应力轴拉张速度确定方法：离散扭动形成的构造变形在垂直于走滑构造带方向有伸展位移分量，通过平衡剖面恢复确定各演化阶段伸展量，进而确定拉张应力轴的拉
张速度；

[0021] 走滑应力轴初始速度确定方法：基于数值模拟结果，确定各演化阶段张应力和剪应力，张应力/剪应力比值与拉张速度/走滑速度比值一致，从而确定走滑应力轴初始活动
速度

[0022] 根据相似性公式，计算得到实验模型与地质原型之间的时间缩放比例，确定拉张应力轴和走滑应力轴运行时间，拉张应力轴和走滑应力轴的速度根据实验结果不断调整。

[0023] 优选地，所述S4中建立的数学模型进行计算时，需减去走滑派生产生的伸展量。

[0024] 本发明与现有技术相比，其有益效果为：

[0025] 1、在构造物理模拟实验方面，构造物理模拟装置采用第一动力轴、第二动力轴、第三动力轴、第四动力轴，其中走滑应力方向为2轴，在拉张应力方向为2轴，能够模拟伸展加
走滑应力背景下构造发育；走滑应力轴的初始速度确定为关键问题，离散扭动形成的构造
变形在垂直于走滑构造带方向有伸展位移分量，通过平衡剖面恢复确定各演化阶段伸展
量，进而确定拉张应力轴的拉张速度。基于数值模拟结果，确定各演化阶段张应力和剪应
力，（张应力/剪应力）与（拉张速度/走滑速度）一致，从而确定走滑应力轴初始活动速度，之
后循环优化。

[0026] 2、扭张断裂兼具有“拉张”和“走滑”两种变形,从而造成走滑平移活动同时在垂直于走滑构造带方向具有伸展位移分量；扭张断裂构造活动性研究需要同时考虑“伸展量”和
“走滑量”两个方面，伸展量利用平衡剖面方法容易计算。

[0027] 3、本申请利用构造精细解析与构造物理模拟结果相结合，应力场数值模拟与构造物理模拟相结合，建立不同演化阶段、不同应力配比条件下走滑量与伸展量之间数学模型，
从而得到具有普遍适用性和较强可操作性的扭张断裂构造活动性计算方法。

[0028] 本发明方法结合了野外实测、构造解析、应力场数值模拟和构造物理模拟等方法，实现了扭张断裂构造活动性定量评价，具有普遍适用性和可操作性。

附图说明

[0029] 图1为本发明扭张断裂构造活动性定量评价方法的技术路线图。

[0030] 图2为本发明扭张断裂构造活动性定量评价方法的扭张断裂伸展量示意图。

[0031] 图3为本发明扭张断裂构造活动性定量评价方法的中构造物理模拟实验模型图。

[0032] 图中：1第一动力轴、2第二动力轴、3第三动力轴、4第四动力轴、5扫描仪、6撒砂装置、7 照相机、8钢板、9挡板、10泡沫板、11摄像机、12砂箱。

具体实施方式

[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0034] 其中需要解释的是，图2中的EAA’为地震剖面恢复的伸展量，Eσ为张应力的伸展量，EBB’为派生断裂的伸展量，PDZ为主变形带，AA’为为一个垂直于主断裂带走向的剖面。

[0035] 参照图1‑3，一种构造物理模拟实验装置，包括动力轴、扫描仪5、撒砂装置6、照相机7、摄像机11、砂箱12，动力轴伸入砂箱12中，扫描仪5、撒砂装置6、照相机7均位于砂箱12
的上方，摄像机11位于砂箱12的前方。

[0036] 其中，动力轴包括第一动力轴1、第二动力轴2、第三动力轴3、第四动力轴4，第一动力轴1、第二动力轴2位于砂箱12的左侧，第三动力轴3、第四动力轴4位于砂箱12的后侧和前
侧，第一动力轴1、第二动力轴2为走滑应力轴，第三动力轴3、第四动力轴4为拉张应力轴。

[0037] 其中，砂箱12构成具体为：砂箱12由钢板8、挡板9、泡沫板10组成，挡板9在钢板8上围绕四周设置，泡沫板10位于挡板9的内部，钢板8上铺设有弹性布，弹性布上填入有天然石
英砂。

[0038] 需要解释的是，构造物理模拟前需要搭建构实验平台、控制系统、信息采集与处理系统。

[0039] 实验平台材质：框架为铝型材；

[0040] 台面为理化板尺寸：长×宽×高=2.5m×2.8m×0.8m；

[0041] 功能：承载实验砂箱12，实验平台采用铝型材制作，配备万向轮、带刹车，可随意移动，随时刹车，整体美观，移动和操作方便；

[0042] 砂箱12的具体尺寸为：

[0043] 最大尺寸：长×宽×高=1.5m×0.8m×0.3m；

[0044] 材质：挡板9和钢板8；

[0045] 主要由前后挡板9、左右挡板9、底板钢板8、电动缸等组成。前后挡板9为钢化玻璃材质，透明、耐磨，易于观察砂层剖面；其与底板钢板8连接为一体，可随底板钢板8移动，形
成走滑运动；左右挡板9为铝合金材质，外侧与电动缸直接连接，内侧连接胶皮，胶皮通过两
底板缝隙进入底板钢板8下方，并挂砝码，使其拉紧，可实现拉张、挤压等运动；

[0046] 底板钢板8为铝合金材质，下表面安装直线导轨，利于走滑运动。需要变角度走滑时，可将滑轨支架斜向安装，实现剪切运动；可根据实验要求选择不同长度的挡板9，调节由
前后挡板9和左右挡板9组成的砂箱12的尺寸；电动缸为地质构造的运行提供驱动力，与前
后挡板9连接的电动缸安装在导轨支架上，使其永远与推板垂直；与左右推板连接的电动缸
安装在底板钢板8上，易于实现挡板9的运行功能；运行速度可调，位移可测（推杆速度及其
位移由电机编码盘反馈信号测算），操作方便，运动灵活；

[0047] 其中，电动缸设置的4个动力轴，第一动力轴1、第二动力轴2、第三动力轴3和第四动力轴4行程均为20cm，运动速度为0.01～0.5mm/s，重复定位精度0.01mm，最大推力
3000kg；为地质构造的运行提供驱动力，与前后挡板9连接的电动缸安装在导轨支架上，使
其永远与挡板9垂直；与左右挡板9连接的电动缸安装在底板钢板8上，易于实现挡板9的运
行功能，运行速度可调，位移可测。

[0048] 控制系统：可控制实验各项参数，例如伸展位移为0～20cm；挤压位移为0～15cm；走滑位移为0～20cm；运动速度为0.01～0.5mm/s；控制系统的特点：1、动力加载系统采用伺
服控制方式，在低速大推力下(最低速度0.01mm/s，≥100kg)表现出杰出性能，多推力缸的
动态推力耦合系统，为精准的应力场模拟带来了无可比拟的技术优势；

[0049] 2、所有推杆均可独立控制，与上位机之间多线程通讯，确保过个电机同时工作时，不会相互产生指令干扰；

[0050] 其中4个动力轴的运动速度、运动时间和运动方式（向前还是向后）利用工控机进行控制，所采用的工控机为西门子IPC3000系列，采用19英寸标准4U机架式设计，配置Intel 
Pentium Dual Core G2010处理器，可在环境温度高达40ºC的工业条件下保证CPU 24小时
全速运行。配置两个串口COM1和COM2，其中COM2可支持RS232/RS485/RS422三种方式(通过
BIOS菜单选择)，两个视频输出接口DVI‑D和VGA可同时输出。

[0051] 信息采集与处理系统：包括3D光学扫描系统及采集软件，采集及控制软件；

[0052] 更具体的，3D光学扫描系统及采集软件像素需达到300万像素，能够扫描记录模型表面形态，给出可视化的表面三维图形，方便实验数据数字化，并可透过CAD软件测量被扫
描模型变形角度、位移距离、尺寸、体积等，实现对砂体表面变形的定量数据收集；

[0053] 采集及控制软件：采集和控制电动缸的速度、位移，

[0054] ①采集实时载荷，绘制载荷时间曲线；

[0055] ②可以设定运行速度和运行距离，远程控制平台推杆进行相应动作；

[0056] ③可以3D预演示推板的运行轨迹；

[0057] ④三维采集系统，可以还原出模型表面的三维形态。

[0058] 该实验装置选用天然石英砂来模拟地壳脆性库仑行为，基于构造演化，明确先期已发育断层数量和平面展布特征，在弹性布之上设置先期断层；该装置设有动力轴，其中走
滑应力方向为两个轴，在拉张应力方向为两个轴；装置在使用时，在天然石英砂表面印刻应
变圆或正方形；运行中，使用摄像机11录制砂体剖面变形过程，使用照相机7、扫描仪5记录
砂体平面变形过程；结束后，使用喷壶向砂体洒水至湿透，使用刀具对砂体等间距切片，并
用相机拍摄砂体内部变形特征。

[0059] 本发明还公开了一种张扭断裂构造活动性定量评价方法，评价方法包括以下步骤：

[0060] S1，研究区构造活动性定量分析，对研究区扭张断裂构造剖面进行平衡剖面恢复，确定构造发育演化阶段，明确各阶段构造变形特征，计算剖面各演化阶段伸展量；

[0061] S2，构造应力场数值模拟，确定研究区扭张断裂带的边界条件，通过研究区宏观构造和小构造确定古构造应力场方向；建立地质模型，将研究区测井资料计算与岩石力学实
验综合得出岩石力学参数赋予地质模型，转化得出有限元力学模型，进行数值模拟计算；

[0062] S3，利用权利要求1构造物理模拟实验装置，进行构造物理模拟实验；

[0063] S4，构造应力场数值模拟与构造物理模拟实验相互验证修正，明确各构造演化阶段张应力、剪应力的大小和方向；以区域及局部应力场为约束，开展多组构造物理模拟实
验，确定不同演化阶段、不同应力配比条件下构造样式，精确测量伸展量和走滑量，确定两
者之间的定量关系，建立数学模型，实现扭张断裂活动性定量评价分析。

[0064] 其中，S1中在构造活动性定量分析精细解释基础上，截取垂直走滑应力方向的地震剖面，利用平衡剖面技术和2D‑3Dmove构造恢复软件，对研究区不同类型扭张断裂构造剖
面进行平衡剖面恢复，S1中计算剖面伸展量时需去除走滑派生产生的伸展量。

[0065] 其中，S2中采用ANSYS 15.0有限元分析软件，提取建立扭张断裂带地质模型，数值模拟计算，依据边界条件分析结果为有限元力学模型施加载荷，利用ANSYS 15.0中的ANSYS 
Structure加载运算，输出三向主应力分布云图及矢量分布图。

[0066] 其中，S3中通过在走滑应力方向设两个应力轴，拉张应力方向设两个应力轴，模拟伸展加走滑应力背景下构造发育；

[0067] 拉张应力轴拉张速度确定方法：离散扭动形成的构造变形在垂直于走滑构造带方向有伸展位移分量，通过平衡剖面恢复确定各演化阶段伸展量，进而确定拉张应力轴的拉
张速度；

[0068] 走滑应力轴初始速度确定方法：基于数值模拟结果，确定各演化阶段张应力和剪应力，张应力/剪应力比值与拉张速度/走滑速度比值一致，从而确定走滑应力轴初始活动
速度；

[0069] 根据相似性公式，计算得到实验模型与地质原型之间的时间缩放比例，确定拉张应力轴和走滑应力轴运行时间，拉张应力轴和走滑应力轴的速度根据实验结果不断调整；

[0070] 其中，S4中建立的数学模型进行计算时，需减去走滑派生产生的伸展量。

[0071] 其中，S3中构造物理模拟实验的具体步骤为：

[0072] 第一，实验建模，根据综合识别的典型扭张断裂，明确其区域范围、边界条件和地层厚度，并建立地质模型；然后，依据相似性原则将地质模型转换为实验模型；几何学相似
中，实验模型的几何形状、尺度大小、岩性配置按地质模型等比例缩小；材料力学相似中，选
用天然石英砂来模拟地壳脆性库仑行为；边界用泡沫板10进行遮挡，为实现应力的传递，模
型钢板8底部敷上一层弹性布，其四周与活动挡板9连接；基于构造演化，明确先期已发育断
层数量和平面展布特征，在弹性布之上设置先期断层；

[0073] 第二，参数计算，本次研究采用4动力轴，其中走滑应力方向为2轴，在拉张应力方向为2轴（如图3所示），能够模拟伸展加走滑应力背景下构造发育，是本研究另一个可能的
创新；根据相似性公式，计算得到实验模型与地质原型之间的时间缩放比例，确定各应力轴
运行时间；其中，走滑应力轴的速度根据实验结果不断调整；走滑应力轴的初始速度确定为
关键问题，离散扭动形成的构造变形在垂直于走滑构造带方向有伸展位移分量，通过平衡
剖面恢复确定各演化阶段伸展量，进而确定拉张应力轴的拉张速度；基于数值模拟结果，确
定各演化阶段张应力和剪应力，（张应力/剪应力）与（拉张速度/走滑速度）一致，从而确定
走滑应力轴初始活动速度，之后循环优化；

[0074] 第三，模拟实验，在实验平台上铺设实验模型所需的材料，并在表面印刻应变圆或正方形；运行中，使用摄像机11录制砂体剖面变形过程，使用照相机7、扫描仪5记录砂体平
面变形过程；结束后，使用喷壶向砂体洒水至湿透，使用刀具对砂体等间距切片，并用相机
拍摄砂体内部变形特征；反复实验，循环优化。

[0075] 本发明中利用构造精细解析与构造物理模拟结果相结合，应力场数值模拟与构造物理模拟相结合，建立不同演化阶段、不同应力配比条件下走滑量与伸展量之间数学模型，
从而得到具有普遍适用性和较强可操作性的扭张断裂构造活动性计算方法。

[0076] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其
发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。