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大庆石油学院工程硕士专业学位论文 海拉尔盆地凝灰质储层特征及本构关系研究 摘要 含凝灰质兴安岭群储层成为海拉尔油田主要产能建设区块，但储层油井射孔投产产能 较低，压裂措施改造的油井产能可提高2 - 8 倍以上，因此水力压裂技术是含凝灰质兴安岭 群储层油井增产的最重要措施。含凝灰质兴安岭群储层压裂不同于常规砂泥岩储层压裂， 难点表现在：压裂早期砂堵( 典型的贝1 6 井9 7 层砂比在3 n j 砂堵) ，返排率低，压裂成 功率低。 为了提高压裂成功率，更好地开发含凝灰质兴安岭群储层，需要对含凝灰质兴安岭群 储层的性质、特征和岩石机理进行研究，为后期压裂机理研究和指导现场压裂提供理论基 础。本课题的具体研究内容如下： 1 、通过总结长期的勘探、钻井和试验开采等综合数据，认清了海拉尔盆地凝灰质储 层的特殊性质，并回顾了海拉尔盆地凝灰质储层开发历程。 2 、从凝灰质储层特征入手，研究凝灰质砂岩的岩石力学特征、储层地应力特征、矿 物学特征及水理特征。 3 、根据凝灰质岩石除了弹性阶段以外在塑性阶段的本构关系差异很大的特点，分别 推倒出呈现应变软化、理想塑性、应变硬化特征的岩石本构方程。 本研究成果，为后期压裂机理研究和指导现场压裂提供理论基础，现实意义十分重要。 关键词：凝灰质储层：本构关系；特征 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i e sa n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o n so f v o l c a n i ct u f fr e s e r v o i ri nh a i l a e rb a s i n a b s t r a c t x i n g a n l i n gr e s e r v o i rw i t l lv o l c a n i ct u f fi st h em a i no i lr e s o u r c eo fh a i l a e ro i l f i e l d b u tt h e p r o d u c t i v i t yw i t hp e r f o r a t i o nc o m p l e t i o ni st o ol o wt oe c o n o m i c a l l yd e ￥ e l o p s i n c ef r a c t u r i n g m e a s u r e sc a r li m p r o v ep r o d u c t i v i t yb y2 8t i m e s ，r e a s o n a b l ef r a c t u r i n gt e c h n o l o g yi st h ek e yt o i n c r e a s eo i lp r o d u c t i o nf r o mx i n g a n l i n gr e s e r v o i rw i t l lv o l c a n i ct u f f b u ti t ，sd i f f e r e n tf r o mf r a c t u r i n gt h ec o n v e n t i o n a ls a n d s t o n er e s e r v o i r t h ed i 撮c u l t i e sa r e ： t h es a n d b l o c k a g ei ne a r l yf r a c t u r i n gs t a g e ( t h eb l o c k a g eo c c u r r e da ts a n dr a t i o3 i n9 7 # l a y e ri n b e i l 6 w e l l ) ，l o w d i s c h a r g er a t i o o f f r a c t u r i n g l i q u i d o u t o f f o r m a t i o n ，a n d l o ws u c c e s sr a t i o t oi n c r e a s es u c c e s sr a t i oo ff r a c t u r i n gs oa st oi m p r o v et h e + d e v e l o p m e n to fx i n g a n l i n g r e s e r v o i r ，i ti se s s e n t i a lt os t u d yt h ep m p e $ ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dr o c km e c h a n i s mt op r o v i d e t h e o r e t i c a ls u p p o r tt ot h em e c h a n i s mr e s e a r c ha n df i e l do p e r a t i o no ff r a c t u r i n gm e a s u r e s t l l i s r e h a s hp r o j e c tf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ： i b a s e do ng e n e r a l i z a t i o no ft h eh i s t o r i c a ld a t ao fe x p l o r a t i o n ，d r i l l i n ga n dp i l o t e x p e r i m e n t s ，t h es p e c i a lc h a r a c t e r so ft h er e s e r v o i rw i t hv o l c a n i ct u f fi nh a i l e rb a s i na r e r e c o g n i z e d ；t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yi sr e v i e w e di nt h i sp a p e r 2 s t a r t i n gf r o mc h a r a c t e r sr e s e a r c ho ft h er e s e r v o i rw i t hv o l c a n i ct u i f , t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h e r o c k s ，e a r t h s t r l 酷sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r e s e r v o i r , m i n e r a l o g i c a l e h a r a e t e r i s t i e sa n dh y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d 3 a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r et h a tt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o nv a r i e so b v i o u s l yi nt h ep l a s t i cs t a g e o ft h er e s e r v o i rw i t hv o l c a n i c t u f r , t h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sw i t h 一6 h a r a e t e r i s t i c so f s t r a i n s o f t e n i n g , i d e a lp l a s t i c i t y , a n ds t r a i n h a r d e n i n ga r er e s p e c t i v e l yd e d u c e d t h er e s e a r c hr e s u l tb u i l d su pt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gf r a c t u r i n gm e c h a n i s m r e s e a r c ha n df i e l df r a c t u r i n ge x p e r i m e n t ，i ti sp r a c t i c a l l yi m p o r t a n t k e yw o r d s ：v o l c a n i ct u f f f o r m a t i o n ：c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；c h a r a c t e r i s t i c s l 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第一章前言 1 1 本论文研究的目的及意义 经过近2 0 年的勘探，沉睡在呼伦贝尔草原地下的油气资源已经逐渐被唤醒。为尽快 开发这些油气资源，带动地方经济发展，大庆油田有限责任公司于2 0 0 1 年初决定开发海 拉尔油田，并组建了呼伦贝尔分公司。该公司的成立，标志着海拉尔盆地油气资源开发己 经迈出了实质性的步伐，也是大庆油田公司战略发展的需要。 海拉尔盆地总面积7 0 4 8 0 k m 2 ，在我国境内4 4 2 1 0k m 2 ，国内部分位于内蒙古自治区呼 伦贝尔市西南部，属于拉张型裂陷盆地，划分为3 坳2 隆5 个一级构造，2 0 个二级构造， 凹陷总面积2 5 2 6 0k m 2 ，测算石油资源量6 5 x1 0 8 t 。 海拉尔盆地主要储层从下至上有：布达特群古潜山变质岩储层、含凝灰质兴安岭群储 层以及铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组等砂泥岩储层。进入2 0 0 5 年，含凝灰质兴安岭群 储层成为海拉尔油田主要产能建设区块，主要包括苏德尔特构造带中西部的贝1 4 一贝2 8 断块，地表为草原，海拔高度5 8 0 0 6 0 0 0 m ，油层顶面海拔深度一9 8 0 m ，规划投产油水井 2 5 0 多口，拟建成年生产能力2 5 x1 0 t 。 前期开发试验表明，含凝灰质兴安岭群储层油井射孔投产产能较低，9 5 以上的油井 产能均在2 t d 以下，而经压裂措施改造的油井，产能可提高28 倍以上，因此水力压裂 技术是含凝灰质兴安岭群储层油井增产的最重要措施。 水力压裂技术用于海拉尔盆地勘探始于1 9 8 8 年，它在海拉尔油气发现中发挥了重要 作用。目前砂泥岩储层压裂技术已经成熟，水力压裂技术的难点是含凝灰质兴安岭群储层， 其难点表现在：压裂早期砂堵( 典型的贝1 6 井9 7 层砂比在3 即砂堵) ，返排率低，压裂 成功率低。 为了提高压裂成功率，更好地开发含凝灰质兴安岭群储层，需要对含凝灰质兴安岭群 储层的性质、特征和岩石机理进行研究，为后期压裂机理研究和指导现场压裂提供理论基 础，本课题的研究成果具有十分重要的现实意义。 j 1 2 火山岩油藏研究现状 凝灰质是火山活动的产物，火山岩油气储层是一个复杂而特殊的储集层类型，这方面 的研究目前在国内外仍是一个新的研究领域，许多问题还不清楚，尚待研究。 1 2 1 概况 第一章蒋害 无论是国内还悬豳外，都有火山岩油气藏的发现。火山糟油气藏作为种特殊的油气 藏类型，芷逐濒弓 起入稳酌重视。诲多专家秘擘砻在这方面傲了大量建设谯戆工终。火如 岩油气蔽几乎遍及世界上的主要涵气产区，如融本的中新毽流纹岩油气藏，阿塞拜疆的橙 拉哈雷唢发岩( 玄武岩、安山岩) 油藏，印度尼西亚的贾蒂融朗安山岩油藏等，都是比较 著名的火出岩油气藏。在国内，火由岩分布十分广泛，东起渤海湾盆遗，馘至准噶尔筑媳， 南歇广东三水盆地，j t 至二连盆穗均有分布。霹静，火山岩溜气藏已成为类重要的勘探 目标。 2 。2 必国岩油藏的戏鲮 火山岩缘于地下崭浆的喷出活动所形成，它与侵入岩( 绒称深成岩) 并列构成岩浆岩 的两大类型。目前，世界上的火山岩油气藏几乎遍及各大洲“1 。但大多数火山岩油气藏规 模不大、谑量小，与畿赛上占主要越位戆砂砾岩滚藏帮碳酸慧瓣溜气藏相比，藏者约占6 隅， 后者约蠢4 0 ，而火山岩油气藏则占不到l i j 6 。 火山岩之所以能成为具有商业价值的油气储集层，主要原因有以下几点： ( 1 ) 火出熔岩孛譬发弯有气我及大量收缩链缝。 ( 2 ) 火山碎屑辩中发育有大爨的砾( 粒) 闯孔隙。 ( 3 ) 火山熔岩喷出地表后物蠼化学条件发嫩巨大变化，使其岩石结构和矿物成分极 不稳定，荔遭最鼗、溶穗、交我等敬造瑟产生大燕溶键魏、鬟结晶孔、袋绽剥蚀裂缝等锉 渗空间。 ( 4 ) 火山岩杨氏模量比砂砾糟商，其中的酸性火山岩又比中性及基性火山岩高，袭 理麓聪馁强，容暴在稳逢力薅露下耱裂髟残麓遗裂缝。 ( 5 ) 许多火山岩出于受地壳运动出露地表长期受风化剥蚀，使得风化淋滤孔隙裂缝 大量发商，使其储集性能发生根本的改善。也磁因为如此，许多与火山岩肖成因联系或棚 髅生熬浅蘑 曼入岩( 又髂次火由老、潜太出老) 与变矮岩也霹瓣出露逮表逮受最绽剥镶嚣 成为油气储集层。 1 2 3 火山岩油气藏特往 必粕磐涵气藏趣形戏嚣其冬嚣令条薛：一怒火垂装继层臻避骞蘧源存旋；二是火凄装 必须具备充分的储集密问。由于火山岩自身不能生成油气，黧周围必须发脊有效的源岩， 且存在合适的运移通邋，以保证油气能顺利的进入储集空间聚集。 装会瓣蔻酝收集爨豹太峦岩溃簸瓷辩，l 燕缩起来，犬出袈涵气藏基本娥缓特征懿下： ( 1 ) 储集层岩憔复杂 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 在火山岩储集层中，常有火山碎屑岩、火山熔岩、次火山岩及变质岩类岩性，而且时 常夹有陆源碎屑岩与碳酸盐岩类，反映出火山喷发与火山沉寂相间的多期性特征。 ( 2 ) 分布常与构造活动有关 火山岩体大都分布在区域性断裂活动带、基底隆起及构造活动带上。在储层形成时间 上大都与地质时代中的强烈构造活动期有关。 ( 3 ) 储集空间复杂多样 火山岩储层孔隙结构复杂，储集空间多样，非均质性严重。其主要储集空间有大型孔、 洞、缝，也有中、小型孔、洞、缝，成因上既有原生孔、缝，又有大量次生孔、缝。 ( 4 ) 储层孔隙度与渗透率变化大 火山岩储层基质孔隙连通性差别很大，岩心分析有效孔隙度与渗透率往往很低，但测 井解释的孔隙度时常很高，试井解释的有效渗透率常常高出分析渗透率值的数倍甚至几十 倍，反映裂缝承担了主要的渗流作用。 ( 5 ) 火山岩储层多为块状体 火山岩储层虽有成层性，但其间并无不渗透的隔层，虽然火山岩岩体可能为多期次喷 发所形成，但其中发育的高角度裂缝足以连通同一套火山岩体。许多火山岩油藏含油井段 厚达数百米，但却具有统一的水动力系统。 ( 6 ) 埋藏较浅，规模较小 火山岩油藏埋深3 0 0 0 m 以下的很少，多数为5 0 0 2 0 0 0 m 。许多火山岩油藏的含油面积 不足l k m 2 ，有的仅l 2 口井出油，含油面积超过l o k m 2 的很少。 综合国内外多个火山岩油藏的开发资料及报道，归纳起来，火山岩油藏在开发生产过 程中表现出的一般开采特征如下： ( 1 ) 油井产能差别悬殊 ( 2 ) 产量的递减大 ( 3 ) 不适宜注水开发 ( 4 ) 油藏溶解气驱采收率较高 ( 5 ) 油井水窜、水淹严重 1 2 4 火山岩的储集空间 火山岩的储集空间包括原生空间和次生空间两种。火山岩中有效的储集空间主要指后 者。 原生孔隙受火山岩原始物性控制，往往是孤立存在的，自身的裂缝不能起到有效的沟 第一牵簿富 通作用。火山岩要成为有效的储集层，需经过搿期的改造，觎括构造运动、溶蚀及风化淋 滤信用镣，形戒有效驰通道，将孔濑连逶在一起，威麓有效麓赭巢空阉。凌寻找火出表演 气藏的过程中，要与构造发育史、厝期作焉、l 瞄近烃源岩的笈育情况等绦仑考虑。由予火 山岩储祭空间自身的特点，火山澍储层具有非均质性强、井间差异大、开发不稳定等特点。 。2 。5 火啦岩对浊气藏懿俸雳 ( 1 ) 火山岩对烃源岩的影响 、 火山岩作为一种特殊的地质岩相，携带的商热量决定其融身的些特点。岩浆活动伴 蓬着持续瓣超较长豹热流，对鼹远烂滚岩蠢凝揆熬热演纯有黧要熬键迸终煺。较高豹热流 可以大大提高地温，弥补埋藏浅的不足，使有机质在正常的生油门限之前就开始生、排烃。 辽河坳陷东部凹陷东营组的火山岩，对其下伏岩层有明擞烘烤作用，鼯致火山岩分布 区遣瀑裙渡甥显增大“3 ，存在火出慧熬遣嚣达裂4 2 5 。c 1 0 0 m ，远远寒予该区豹平均蟪滋 3 5 l o o m 。高地潞大大促进了烃源岩的成熟，受火山岩影响的地区油气丰度明显高于 其它地麟，存在早期擞烃现象。另外，三水盆地、华北盆地廊固凹陷及苏_ b 盆地高邮北斜 坡等越嚣熬生淫门蔽，均要魄其各爨烃源岩委豢成熟门蔽浅德多”。 黄骅坳陷西南端的沧东一南皮朗陷火山岩十分发育，从中生界、孔庙缀剿沙河街缀都 分布有大量的火山岩，在王官屯地区火山岩厚度可达到2 0 0 多米。通过对该区存在火山糟 翁探势瓷瓣进行统计分辑发理，表，髓蠢瓤霞戏熬发懿重要豢檬铙矮傣蔽瓣率( 孙) 受 火山岩影响明显：对于硒一深度的脊机质而言，彳擎在火山岩的地区和不存谯火山岩的地区， r o 值可以相差0 2 左右。可以说，火山岩带来的高热流很大程度上促进了有机质的成熟。 稳痤豹转纯率帮产烃率懋魄较裹，麓鹜陷提供了楚是熬淫滚蒸綦窭。这也怒涂衷一毒疫鞠熬 之所以慰一个规模较小但油气富集程度很高的凹陷的重要原因。 因此，火山岩的存在对有机质的成熟具有积极的作用，可以加速有机质向烃类的转化。 司露，较蔻豹遣涅虿馘使覆蘧麓度辫低，天然气豹重力差舅弱嫠，毒禚予涟气载运移及逡 步的墩排烃，提高源岩的产油气能力。 ( 2 ) 火山岩对储粲层的影响 “ 火由舞涂了本鸯霹终为洼气豹撩集凄羚，霹箕鏊老蠡羹屡纛蠢影嫡。大露羧发弯豹灾溺 岩占据储巢层的空间，减少有效油气藏的体积。另外，受火山岩控制生成的砂体，往往沿 火山岩堆积体坡角一侧的断槽展布，成为火山卷发育区形成砂岩油气藏的有刹位置。 ( 3 ) 瓣运移窝绦孬兹髟确 断裂作用发生时，在构造应力的作用下火山岩体会发育大的断层，沿断层伴生大量构 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 造裂缝。在有机酸的溶蚀作用下，可以产生大量的溶蚀缝，这些裂缝可以成为油气的渗流 通道。同时在火山岩与围岩接触带的地方，受后生作用改造易形成破碎带，形成油气的有 利运移通道。 未蚀变的火山岩由于原生孔缝系统不发育，岩石结构致密，具有良好的封盖作用。在 浅层地区，成岩作用较弱，泥岩、膏盐等其它形式盖层还不具有有效的封盖能力，火山岩 可以充当浅部盖层，为浅部油气藏形成提供了条件。同时，也为深部遭受破坏而运移上来 的油气提供了二次成藏的条件。以火山岩为盖层的油气藏在辽河坳陷已经发现了实例。 ( 4 ) 破坏作用 在油气藏形成以后，岩浆活动往往具有破坏作用。其破坏作用主要体现在两个方面： 一是热变质作用，即火山岩的高温将已聚集的油气烧毁，使原油干枯形成固体沥青；二是 火山岩穿过油气藏，破坏上部的盖层，使其丧失封盖能力而导致已聚集的油气散失，从而 破坏油气藏。 1 3 本文工作 l 、通过总结长期的勘探、钻井和试验开采等综合数据，认清了海拉尔盆地凝灰质储 层的特殊性质，并回顾了海拉尔盆地凝灰质储层开发历程。 2 、从凝灰质储层特征入手，研究凝灰质砂岩的岩石力学特征、储层地应力特征、矿 物学特征及水理特征。 3 、根据凝灰质岩石除了弹性阶段以外在塑性阶段的本构关系差异很大的特点，分别 推倒出呈现应变软化、理想塑性、应变硬化特征的岩石本构方程。 第二黎海拉尔盆建凝获疆锯层性质及拜裳 第二章海拉尔盆地凝灰质储层性质及开发 芬德容特建区馥予内蒙吉蠡治嚣呼稔蚕尔露鳜巴尔虎表旗煲尔苏本( 多) 凌蠹。气候 属大陆性亚寒带型，攀风多而大。居民为蒙、汉杂居，多从攀渔牧业。其j b 部有滨洲铁路 通过，旗、市间均有简易公路或革原自然公路摺通。含凝灰质兴安岭群储艨成为油田主要 产能建设区块，该嚣块主要嚣静鼷为保罗系兴安泠群，龟耩荔德尔蒋梅遗带中疆部的煲 1 4 一贝2 8 断块，提交福油预测地质储量3 7 0 0 x1 0 t ，含油面积3 8 6 k m 2 ，中心点经纬度为： 北纬5 3 0 2 l 、东经2 0 5 。2 。地袭为草原，海拔商度5 8 0 渺咱o m ，油艨顶面海拔深度 一9 8 0 m ，矮划投产涵求并2 5 0 多日，撅建成年生产能力2 5 1 0 t 。 2 0 0 2 年依据地质研究成果，分别在该构造带上的不同断阶高部位部瓣了一批预探拌， 其中2 0 0 2 年在贝1 2 井布达特群邀行了压裂抽汲获8 0 8 7 t d 的工业油流。从丽，扩大了 苏德尔黪褥部断酚帮的含油瑟积。羧1 4 并兴安蛉群薪发瑶涵气显示，三次瓣释有效露发3 层2 9 肼。根据贝1 4 辨的钻探效果，结合本区秘层位含油的特点，针对目的层进行了龛三 维解释，重薪编制该麟的t 岛、r 地震反射层深度构造图，发域秘落实了5 个构造圈期。其 孛在赛：德五一6 号摘遗鼯署了煲1 6 并。煲i 6 弗钴攘获褥了爨大约发瑶。该井于兴安蛉群 1 2 9 9 o 1 7 9 9 4 m 井段，取芯见富含油砂岩1 3 7 9 m ，油浸砂耢1 0 7 5 m ，油斑砂岩11 8 3 r a ， 油迹砂豢4 + 5 6 m ，合计4 0 9 3 m 。三次鼹释有效厚度5 3 层1 0 8 o m 。压后泵举获德1 2 5 8 2 t d 的高产工、韭滴流。该舞是截正晷前海拉尔盆地必安蛉群演气照示最好、滴鼷桑积厚度最大 的一口探井，充分证实了该区的勘探潜力。 2 0 0 3 年大庆浊田肖限责任公司搬据以经济效蔻为中心，以磷业储量为爨标豹油气勘探 工作的慧体思路，在海拉尔盆地实施三年加快方案，在该区实施勘探开发一体化的管璎模 式，重点封三维地震资料进行叠前深度偏移处理，并开展地麓资料的精细解释工作，同时 开展油藏搓述研究和储量参数综台磷究。强蓠该嚣块正进行大鞭积的产能建设，已建成霉 产1 8 l o t 的产能酝块。 2 ，1 储层特征描述 2 1 懿罄段翘分 兴安蛉群油层为一套凝灰质砂辫与正常沉积的碎屑岩夹杂的岩性，测多# 伽马曲线德较 上覆地殿显著增高，地震剖面反映疑顶底均为不艇合反射特缎。依据岩性、电性和沉积旋 嚣穗蔹撼兴安蛉嚣邀撰翅分秀六个移层缓。为镶麓楚| 分囊对魄奠定7 基磁。谈据令潼屡缀 之间地朦厚度、物性麓异将兴安岭群分为上下两个油层组作为本次提交储爨的单元。 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 ( 1 ) 兴安岭群上部油层组特征描述： 岩性为以杂色泥岩、夹泥质粉砂岩、砂岩、凝灰质砂岩为主的一套地层，砂岩分选较 下部地层好，储层物性变好；电性较下部油层组电阻率低，伽马值高，自然电位低，密度 和中子低的电性响应特征。 ( 2 ) 兴安岭群下部油层组特征描述： 岩性以砂砾岩、粗砂至细砂岩、细砂粉砂岩、玻屑流纹质凝灰岩为主，凝灰含量向下 有逐渐增多的趋势，电性上较上部油层组电阻率高，伽马值低，自然电位高，密度和中子 高的电性响应特征。 2 1 2 储层岩性和物性特征 ( 1 ) 储层岩性特征 苏德尔特地区兴安岭群储层岩石( 火成岩) 为沉凝灰岩及正常沉积岩。岩石由火山碎 屑7 5 、陆源碎屑2 5 组成。火山碎屑由玻屑、晶屑及火山灰组成。陆源碎屑为石英、长 石及酸性喷发岩、泥岩岩块。泥质具重结晶，与火山灰相混充填孔隙。岩石多具碳酸盐化。 ( 2 ) 储层物性特征 苏德尔特地区兴安岭群储层类型为铸膜孔、溶孔、粒间孔和收缩线状缝等。毛管压力 曲线分为两种类型：空气渗透率 1 0 0 1 0 。um 2 的储层孔隙半径均值较大，孔隙分选差，排 驱压力低，孔隙结构特征较好，属于等孔喉组合储层；空气渗透率卜5 x1 0 3 um 2 的储层和 傻之 破碎。擞的破裂是从擞的中心开始并沿着加载赢径向上、下两方面扩展开浓，从而使盘猩 燕载点驳线上呈现清濒魏破裂，这楚由子在垂妻予麴载壹径上分毒有拉弹威力豹缘教。 岩稚的抗张强度掰以用下式计算： 盯，：上( 3 一1 ) 盯t 2 磊 o 。一1 式串：拶，抗张强发，l p a ； p 岩石破碎时的载荷。 ，试 孛半绞，艘； 矗试俘赢发，嘲。 试骏数据结果如浓3 2 所示： 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 表3 - 2 贝2 8 井岩石抗张强度 t a b l e3 - 2t h et e n s i l es t r e n g t t io f r o c kf r o mb e i 2 8w e l l 石取样深度试样编直径d高度h最大破坏载荷抗张强度 性( m ) 丐 ( m m )( m m )( k n )( m p a ) h 7 一l3 7 82 2 83 62 6 6 h 7 - 23 7 82 3 64 63 2 8 凝 1 6 6 0 2 5 h 7 3 3 7 8 2 6 74 72 9 6 灰 h 7 4 3 7 8 2 4 87 4 5 0 3 m h 8 一l3 7 82 3 74 53 2 0石 1 7 3 2 7 0 h 8 - 23 7 82 8 56 13 6 0 平均值3 1 4 凝 l 2 0 一l 。3 7 82 4 56 o4 1 2 灰 l 2 0 - 23 7 82 3 56 84 8 7 质 1 8 6 5 9 1 l 2 0 33 7 82 4 15 63 9 l 砂 l 2 0 43 7 82 3 76 94 9 0 砾 l 2 0 53 ，7 82 4 96 44 3 3 l l l 2 0 - 63 7 82 7 76 84 1 3 石 平均值 4 3 8 从表3 2 中可以看出，贝2 8 井凝灰岩的抗张强度在2 6 6 3 6 0m p a 之间，平均抗张 强度为3 1 4 m p a ；凝灰质砾岩的抗张强度在3 9 l 4 9 0m p a 之间，平均抗张强度为4 3 8 m p a 。凝灰岩的抗张强度低于凝灰质砂砾岩。 3 1 3 凝灰质储层岩石单轴压缩试验 单轴压缩试验就是指把岩样放在压力机的压板之间，施加轴向载荷直到破坏，并记录 其应力和应变的压缩试验。 岩样破坏时的应力值即为岩石的抗压强度，计算公式为：吒= i 4 p 芦 ( 3 2 ) 对于单轴压缩试验，岩石的弹性模量e 即是轴向应力盯与轴向应变的比值，在应力 应变曲线中，即为直线段的斜率。其计算公式为：e ：旦 ( 3 3 ) s ” 泊松比是岩石的另一个弹性常数，其重要性仅次于弹性模量，在计算压裂裂缝宽度分 布时是一个重要的常数。在单轴压缩试验中，它定义为径向应变白与轴向应变q 的比值。 其计算公就，= 吲 c s 叫 式中： e 岩石的弹性模量，m p a ； 第三章 海拉尔盆雉凝获震储墨特征研究 仃应力，肿a ； 鼠轴囱应变，无量纲； 白径向应交，无量纲； y 一泊松比，无量纲。 试验数据结果翔袭3 - 3 瑟承： 表3 - 3 贝2 8 井岩石单轴压缩试验 t a b l e3 - 3t h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s to f r o c kf r o mb e i2 8w e l l 塞试样奁径d高度 密度p 抗压强度o 。弹径模量e溶橙魄 性编号 ( m m ) ( f f i l n ) ( g c m a ) ( m p a )( 1 0 m p a )y 凝 h i - 22 4 7 44 9 8 4 2 1 8 84 5 7 00 9 80 0 8 2 获 h 1 32 4 。? 24 9 。8 8 2 。1 7 54 9 。0 80 。8 40 ：懿2 h 4 - 22 4 8 05 0 2 82 2 2 l4 3 9 4o 6 40 0 9 7 岩 平均值 2 1 9 5 4 6 2 40 8 20 0 8 7 凝 l 6 2 5 0 2 5 0 。4 82 4 2 73 9 4 51 2 lo 0 8 6 获 l 1 2 - 2 2 5 0 0 9 。4 s 2 5 0 62 唾。3 40 。8 40 l 质l 1 2 32 4 9 84 9 5 02 5 2 33 7 2 51 2 2o 1 6 9 砾 l 1 8 一l2 5 0 45 0 1 02 4 5 92 6 3 41 5 0 m 石 平均值 2 。4 7 93 8 41 1 90 1 1 2 从表3 - 3 中可以潘出，贝2 8 弗凝灰岩的单轴抗压强度农4 3 9 4 4 9 0 8m p a 之间，平 均抗压强度为4 6 2 4 m p a ；凝灰质砾岩的单轴抗聪强度在2 4 + 3 4 3 9 4 5m p a 之间，平均抗 压强度为3 t 。8 4 m p a 。凝获砉匏单辘抗蓬强度裹予凝获凌移砾卷，弹挂模量翡泊拴毙帮甄予 凝灰质砂砾岩。 3 1 4 凝灰质储层岩石兰轴压缩试验 地一f 敬岩五实器上处予复杂兹瓣不是孳一豹疲力凌态，三瓣痤力试骏褥供了定量测试 岩石在鬟杂应力状态下机械性质的种良好手段。 常规三轴试验是殿为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形的搿样置于一个离 垂容器巾，善宠焉滚纛镬其嚣爨楚予三囱缘匀聪缤熬痤努状态，然惹操持戴篷力不变，壤 加轴向载荷，直到使其破坏。 选取8 块凝灰岩的岩心做三轴联缩试验，试验结果如下淡： 1 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 表3 4 贝2 8 井凝灰岩三轴压缩试验 t a b l e3 - 4t r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s to f t u f ff r o mb e i2 8w e l l 试件直径d高度h围压盯，轴向破坏应力弹性模量e 编号 ( m m ) ( m m ) ( m p a ) o - l 一仃 ( m p a ) ( 1 0 4 m p a ) h 1 12 5 o5 0 o6 4 5 0o 8 3 h 1 4 2 4 85 0 0 6 5 5 00 8 l l o h 22 4 94 9 17 2 7 00 7 9 平均值 6 7 5 7o 8 1 1 t 32 4 95 0 01 3 2 0 0 1 2 l n 4 - l 2 5 o5 0 4 1 0 9 3 0 7 8 2 0 h 4 - 32 4 85 0 41 0 i 4o 9 4 平均值 1 0 5 3 5 0 8 6 h 5 一l2 5 o4 9 71 1 8 31 0 6 h 5 22 5 04 9 94 01 2 0 51 0 8 平均值 1 1 9 4 01 0 5 注：i ：代表不参与运算 从试验结果可以看出，随着围压的增大，岩石的抗压强度和弹性模量都随之增大。 回归零围压下的轴向破坏应力，计算公式为 盯i = 盯n + k o - 1 ( 3 5 ) 将表中数据代入，可以回归出零围压下的凝灰岩的轴向破坏应力盯。及k 值，可以得出 盯o = 5 3 2 9 m p a k = 2 8 3 9 根据表中数据，绘制凝灰岩强度包络曲线如图3 一l 所示： 图3 - 1 贝2 8 井凝灰岩强度包络曲线 f i g3 - 1t h es t r e n g t he n v e l o p c u r v eo f t u f f f r o mb e i 2 8w e l l 第三章海拉尔益琏赣毅蕊储层特征磷究 根据库仑( c o u l o m b ) 一莫尔( m o b r ) 强度联论，有f = 盯增尹+ c ( 3 6 ) 式孛：r 抗剪强泼，m p a ： d 破坏面上的正应力，m p a ； c 内聚力，m p a ； p 内摩擦角，疫( 。) 。 若将f 和盯用主艨力q 和c r 3 亵示，由莫尔鄹可知 盯= 吾，+ 气) + 吉；) c o s 2 0 ( 3 - - 7 ) f ；委。一c r 3s i n 2 0 、 ( 3 8 ) 式巾，移是剪切破坏面的法线与最大主应力q 方淘之间的夹角，或是该平衡与最小主 应力之间的夹角，并且有 秽= 三4 + 詈 ( 3 9 ) 由畿3 - 4 中数据殷图卜1 的葜尔圆，可以得蹬贝2 8 井凝获岩的内聚力及内摩擦角， 其蘧兔c = 1 5 8 2 m p a 、移= 2 8 。6 2 。 绘制的贝2 8 井凝荻岩应力臌变曲线如图3 2 、3 - 3 、3 - 4 所示： j| 7 l ，” 。矿 k l t彳 | ? 矿 4礁| l | l ， | j q ， | ， | ? 萝 ， 铀 | g ； ? f i l l | 圈3 - 2 凝灰岩h 5 一i 岩心应力一应变曲线 f i g3 - 2t h es t r e s s s t r a i nc u r v eo f h 5 - 1 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 | e 、 f ； 一。 气u i | 、 |n、l | | _ 7 | 1 | 扎 t| | | f | | |j | | i ?| ? 一 yv 图3 - 3 凝灰岩h 1 - 4 岩心应力应变曲线 f i g3 - 3t h es t r e s s - s t r a i nc u r v eo f i l l 一4 7 形 旧 | _ 一l 一k ， | i 、炉 ，一l i ”l | | i ， 如 7 。 0 ； 硗 ? ， 图3 - 4 凝灰岩h 2 岩心应力应变曲线 f i g3 - 4t h es t r e s s s t r a i nc u r v o f h 2 图3 2 为编g - bh 5 一l 的岩心在4 0 m p a 围压下的应力应变曲线，由图可知，该岩心 在8 4 m p a 开始屈服，到1 1 8 3 m p a 达到强度极限，并产生较大的塑性变形。循环卸载加载 性质比较稳定，在强度极限出应力不变而应变持续增长，即产生了塑性流动。 第三黎海拉尔盎缝凝获矮辖菇装捱臻究 图3 - 3 为编号为h 1 4 的岩心在i o m p a 围滕下的应力应变曲线，由图可知，该卷心 在5 2 5 m p a 眩开始屈服，开始产生塑性变形，到6 5 5 0 m p a 时这到强度极限，。瑟后应变持 续增长威力却下降，蹩现瑰显的软亿特征；循耀卸载加载继续出现应交软纭褥征。 图3 - 4 为编号为h 2 的岩心在i o m p a 围压下的应力应变曲线，由图w 知，该岩心具 有明显豹痘变硬纯特征，妥7 2 7 0 m p a 辩这裂强艘掇限。循环勰载加载爨现藏变硬化特镁。 献上筒三图可懿瓣出，凝灰瓣的岩性复杂，在加载时呈蠛各异的特馥，但是都具有嘴 显的塑性特征。 选取9 块凝灰质繇岩豹岩心避雩亍了三轴医镶试验，试验络巢如下表3 - 5 ： 将表巾数据代入，w 以回归出零灏压下的凝获岩的轴向破坏应力及德，可以得漱： 仃n = 5 9 7 9 m p a 妻= 4 。5 0 表3 5 风2 8 井凝灰质砾岩三轴压缩试验 1 抽k3 5t h et r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s to f t u f f a c e o u sc o n g l o m e r a t eo f b e i2 8w e l l 试件直径d渐度h 丽聪盯， 轴向破坏应力弹性模量e 编号( m m )( m m )( m p a ) 仃l 一盯3 ( m p a ) ( 1 0 m p a ) 注释 l 1 2 一i2 5 。o5 0 41 1 7 。sl ，5 4 l 1 2 - 42 5 15 0 o 1 2 3 41 4 5 1 0 l 1 2 - 52 5 o5 0 。51 2 5 。l 1 8 8 平均值 1 2 2 o ol 。6 2 l 1 62 5 14 5 97 4 8 1 3 7 *试件进油 乙1 7 2 5 。l 镐8 8 2 4 幸1 2 0 *试侔述濑 2 0 l 1 8 32 5 24 9 51 4 4 9 1 7 0 孚殇夔 1 4 4 9 0i 7 ( 1 l 1 8 - 22 5 55 0 o 6 8 5i 5 6试件进油 l 1 92 5 24 9 21 8 8 3 1 9 3 4 0 l 2 21 8 2 ，6 6 2 平蚜值 1 8 5 4 5 1 ? 8 注：乖代表不参与滋算 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 根据表3 5 中数据，绘制凝灰岩强度包络曲线如图3 5 所示 图3 5 贝2 8 井凝灰质砾岩强度包络曲线 f i g3 - 5t h es f f e n g t he n v e l o pc u r v eo f t u f f a c e o u sc o n g l o m e r a t ef r o mb e i2 8w e l l 由表3 5 中数据及图3 5 的莫尔圆，可以得出贝2 8 井凝灰质砾岩的内聚力及内摩擦 角，其值为c = 1 4 0 9 m p a 、矽= 3 9 5 2 。 绘制的贝2 8 井凝灰质砾岩应力应变曲线如图3 - 6 , 3 - 7 所示： 一7 b f |冀 ， i |， ；- 一 ，； | i | |4， | i | | 一一矿。 | | | b ， l r， t ， 二，。 图3 - 6 贝2 8 井凝灰质砾岩l 1 8 3 岩心应力应变曲线 f i g3 - 6t h es t r e s s s t r a i nc u r v eo f l i8 3 图3 6 为编号为l 1 8 3 的岩心在2 0 m p a 围压下的应力应变曲线，由图可知，该岩心 2 1 燕三嚣海拉a 盆地凝袭葳辖层特征醑究 在1 0 5 m p a 开始屈服，到1 4 4 9 0 m p a 达到强度极限，在卸载过程中应变持续增长，产缴较 太豹塑投变形。循环卸载加载蛙旗拢较稳定，承载基本维持巍9 0 m p a 左右。 八 | | | 7 | | 一| 、。i l 玉 ， 移 鬻3 - 7 哭2 8 势凝炭矮砾岩l 1 7 岩心症力盛雯馥线 f i g3 - 7t h es t r e s s - s t r a i nc u eo f l l 7 图3 7 为编号为l 1 7 的岩心农2 0 m p a 围压下的应力应瓷曲线，该试件进油。由网可 疑，该潦，玉囊s 2 4 溯鹣这型强缓援蔽，岩石酸螺。残余强度缀，j 、，基本失去承载戆力， 应变持续增长，产生较大的塑性变形。循环卸戴加载软化，臻现流动特 芷。 将上述试验结果汇总为下表： 表3 - 6 受2 8 旁凝灰震岩石物理力学蛙壤试验结果 凝灰质砾 试验竣丑 。试验指标凝获岩 石 密度试验 予密度p - ( g c m 3 ) 2 1 72 4 6 抗张强度 抗张强度os ( m p a ) 3 1 44 3 8 单轴 单轴抗压强度0c ( m p a ) 4 6 2 43 1 8 4 莲缱癸谯模曼e ( i o m p a ) 0 8 21 i 9 试验 演捡比， 0 0 8 7o 1 1 2 三轴 轴向破坏应力0 ( m p a ) 7 7 5 71 3 2 0 0 压缩 d r ，= i o m p a 弹性模量e ( 1 0 。m p a ) 0 8 l1 6 2 试验 辘自酸舔应力0 ；( m p a ) 1 2 5 。3 51 6 4 。9 0 d ，= 2 0 m p a 滟性模量e ( 1 0 4 m p a ) 0 8 61 7 0 轴向破坏应力o 。( m p a ) 1 5 9 4 02 2 5 4 5 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 f 弹性模量e ( x 1 0 b l p a )1 0 71 7 8 零围压回归强度0 。( m p a ) 5 3 2 95 9 7 9 抗剪强度拟合公式中k 值 2 8 7 9 4 5 0 0 指标计算内聚力c ( k l p a ) 1 5 8 2 1 4 0 9 内摩擦角够( 。) 2 8 6 23 9 5 2 由凝灰岩及凝灰质砂岩的应力应变曲线可以看出，当初始加载时，曲线都稍向上凹， 呈现硬化特征，这反映了岩石试件内部的裂隙逐渐被压密；接着进入弹性变形阶段，此时 应力和应变呈线性关系，其斜率为岩石的弹性模量：随着载荷的继续增大，应力和应变呈 非线性关系，岩样开始屈服，此时进入塑性变形阶段，在岩石中引起不可逆变化；到最高 点处达到强度极限。继续循环卸载加载，岩石试件有的性质比较稳定，有的呈现软化特征， 有的呈现硬化特征。但是都呈现明显的塑性变形。这说明凝灰岩及凝灰质砂岩的有一定的 塑性，与常规的砂岩储层不同。 3 2 储层地应力特征 3 2 1 储层地应力方向 应用波速各向异性测试、粘滞剩磁法、井筒崩落及热弹性应变恢复可以确定储层地应 力的方向。 ( 1 ) 波速各向异性测试结果 对四组岩样进行了波速各向异性测试，其原理示意图如图： o o 图3 - 8 波速各向异性测试原理示意图 f i g3 - 8t h ep r i n c i p l ec a r t o g r a mo f w a v ev e l o c i t ya n i s o t r o p y 测试结果分析如图： 第三章海拉零蕴缝凝袭质储墨籍薤