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辽宁工程技术大学 硕士学位论文 长城窝堡井田开采引起地应力变化及对科尔康油田的影响研究 姓名田涛 申请学位级别硕士 专业工程地质 指导教师张振文 20040105 摘要 本文主要研究区域初始地应力及煤矿开采对地应力场的影响依据岩土材料 理论采用非线性有限元数值模拟方法分析了长城窝堡井田开采对其下部科尔 康油田及其井田内长城一号油井的影响得出了以下工作成果 详细阐述了测量地应力的方法以及通过已知的地应力资料 结合已有的三维 地震信息运用有限元方法反演计算模拟了长城窝堡井田的区域地应力场并 绘制出了地应力场等值线图 对长城窝堡煤矿的开采引起的地应力场变化进行有 限元数值模拟 分析其采后对其下部科尔康油田及其井田内长城一号油井的区域 应力场的影响 得出了这种影响的量化结果绘出区域采矿附加应力与原岩应力 的比值图件并得出相应的结论和建议 关键词岩石力学 地应力场 非线性有限元 原岩应力 附加应力 数值模拟 Abstract This paper mainly studies the original region ground stress field and the coal mine exploration’s affect to the original region ground stress field. According to rock materials theory, adopting non- linear limit element numerical simulation , the Changcheng Wopu coal mine exploration’s influence on the Keerkang oil field and the Changcheng - 1 well was analyzed. Fruit was educed as Ground stress measuring was explained in detail. And the Changcheng Wopu coal mine original region ground stress field was simulated by limit element numerical simulation through the combination ination of existed original region ground stress field data and the 3- D seismic data. Moreover the original region ground stress field isoline plot was protracted. The Changcheng Wopu coal mine exploration’s influence on the original region ground stress field was simulated. And the exploration influence on the below Keerkang oil field and the Changcheng - 1 well was analyzed in detail. The quantity fruit of the exploration influence was gained. The ratio plot of affixation stress field and the original region ground stress field was protracted. Finally the conclusions and the advice were given. Key words rock mechanics, ground stress field, non- linear limit element, original ground stress, affixation stress field, numerical simulation 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 绪 论 长城窝堡煤田与科尔康油田为叠加式矿田本文主要研究长城窝堡井田采动后引起 地应力变化及对科尔康油田设施的影响情况其实质就是要用岩石力学的理论研究区域 初始地应力场及开采对地应力场的影响 1.1 岩石力学的发展历史和研究现状[10][43] 岩石力学是伴随着采矿土木水利交通等岩石工程的建设和数学力学等学科的 发展而逐步形成的一门新兴学科按其发展进程可以分为四个阶段 1 初始阶段19 世纪末20 世纪初 [10] 这是岩石力学的萌芽时期产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问 题例如1912年海姆A.Heim提出了静水压力的理论他认为地下岩石处于一种静 水压力状态作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等均等于单位面积上覆 岩层的重量即H 朗金和金尼克也提出了相似的理论[31]但他们认为垂直方向压力等于H而水平 方向压力等于垂直压力乘以一个侧压系数即H朗金[33]根据松散理论认为 24 t a n 2 φ λ−而金尼克根据弹性理论的泊松效应认为 ν ν λ − 1 其中v分 别为上覆岩层容重泊松比和内摩擦角H 为地下岩石工程所在深度由于当时地下岩 石工程埋藏深度不大因而静水压力理论曾一度被认为是正确的但随着开挖深度的增 加越来越多的人认识到上述理论是不正确的 2 经验理论阶段20 世纪初20 世纪 30 年代 [33] 该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论[10]并开始用材料力学和结构力学的方 法分析地下工程的支护问题 最有代表性的是普罗托吉雅科诺夫提出的自然平衡拱学说 即普氏理论[13]该理论认为围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形作用在支架上的压力 等于冒落拱内岩石的重量仅是上覆岩石重量的一部分于是确定支护结构上的荷载 大小与分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件太沙基也提出相同的理论[13] 只是他认为塌落拱的形状是矩形而不是抛物线型普氏理论是相应于当时的支护形式和 施工水平发展起来的由于当时的掘进和支护所需的时间较长支护和围岩不能及时紧 密结合致使围岩最终往往有一部分破坏塌落尽管如此上述理论在一定历史时期 和一定条件下还是发挥了一定的作用的 3 经典理论阶段20 世纪 30 年代20 世纪 60 年代 [10] 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 这是岩石力学形成的重要时期弹性力学和塑性力学被引入岩石力学[12] 确立了一些经典公式形成了围岩和支护共同作用的理论结构面对岩体力学性质的影 响受到重视岩石力学文献和专著的出版试验的方法的完善岩体工程技术问题的解 决都说明岩石力学发展到该阶段已经成为一门独立的学科 在经典理论发展阶段形成了连续介质理论和地质力学理论两大学派 连续介质理论[20]是以固体力学作为基础从材料的基本力学性质出发来研究岩石工 程的稳定问题但是早期的连续介质理论忽视了对地应力作用的正确认识忽视了开 挖和施工因素的影响 而且岩体中存在大量节理和裂隙 并不符合连续介质理论的假设 地质力学理论注重研究地层结构和力学性质与岩石稳定性的关系它是 20 世纪 20 年代由德国人克罗斯[6]创立起来的该理论反对把岩体当作连续介质简单的利用固体力 学的原理进行岩石力学特性的分析强调对岩石节理裂隙的研究重视岩体结构面对 岩石工程稳定性的影响和控制作用但过分强调了节理裂隙的作用过分依赖经验 而忽视理论的指导作用 4现代发展阶段20 世纪 60 年代现在 [14] [18] [22] [23] [25] [28] [29] [31] 近期研究中建立的初始应力场的定量计算法大多是以某些位置的初始地应力实测 值为依据的数值拟合分析计算法在数学概念中这类方法属于选点法 目前已经建立的数值拟合分析计算法主要是以分析工程所在区域局部范围内的初 始地应力场为目标的数值计算法这是因为初始地应力场的分布规律比较复杂人们已 积累的经验还不足以为在大范围内进行初始地应力场的分析计算建立比较合理的力学模 型当局部在较小范围内进行初始地应力场的数值分析时计算区域的边界应力可简单 地假设成为均布应力或只是按线性规律变化的应力等这类问题的计算可简化为边值问 题求得边界应力值后即可得到整个区域的初始地应力场由于计算依据是某些点实 测应力值的数值拟合 以这类方法进行计算时一般需要多次重复的计算 才能得到结果 如黄润秋教授等系统研究了黄河拉西瓦水电站高边坡的地应力场特征及演化规律徐林 生博士等通过模拟山体滑坡的历史过程研究了二郎山公路隧道工程区的初始地应力场的 特征 在数值拟合分析法研究取得进展的同时两类反演分析法研究也有所进展这里所 说的两类反演分析法并非严格的解析解它与实质拟合分析法的主要区别在于按这类 方法建立计算过程的依据是直接由连续介质力学导出的关系式 而不是单纯的数值拟合 实践中可供工程所在地进行初始地应力场研究采用的则仅是应力反分析法这方面同济 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 大学大学岩土工程系做了较多的工作取得了一系列成果冯紫良教授等1983提出 了初始地应力位移反分析计算的有限元法计算原理杨林德教授等1985建立了平面 应变弹性问题和弹塑性问题反分析的有限元法的具体计算方法等用于进行区域地应力 场研究的应力反分析法属于空间问题目前取得的成果较少1983 年天津大学水利系 发表了研究成果 岩体初始应力场的分析方法文中提出的方法属于以假设力学模型为 基础的空间问题两类应力拟合分析计算法由于在计算过程中引入了多元回归分析这 一方法的计算结果可望较为合理同济大学冯紫良教授在小湾水电站初始地应力场的回 归分析中将这类方法作了进一步发展对初始地应力的实测值引入了可考虑各类因素综 合影响的加权系数使分析的结果更合理 1.2 地应力测量的基本原理和方法[17] 测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力 状态这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的在实际测量中每一测点所涉及 的岩石可能从立方厘米到立方公里但是对于整个岩体而言仍可视为一点虽然也 有一些测定大范围岩体内的平均应力的方法如超声波法等地球物理方法但这些方法 很不准确所以远没有点的测量方法普及由于地应力状态的复杂性和多变性要比较 准确的测定某一地区的地应力就必须进行充足数量的点测量在此基础上才能借助 其他方法进一步描绘出该地区的全部地应力场状态 为了进行地应力测量通常首先开挖一些峒室以便人和设备进入测点然而只要峒 室一开峒室周围的应力状态就受到了扰动早期的方法如扁千斤顶法等就是在峒 室表面进行应力测量 然后在计算原始应力状态时 再把峒室开挖引起的扰动考虑进去 由于通常情况下紧靠峒室表面的岩体都会受到不同程度的破坏使它们与未受到扰动的 岩体的物理力学性质大不相同同时峒室开挖对原始应力场的扰动也是十分复杂的不 可能进行精确的分析和计算所以这类方法得出的结果往往是不准确的为了克服这类 方法的缺点另一类方法是从峒室表面向岩体中打小孔直至原岩应力区地应力测量 是在小孔中进行的由于小孔对原岩应力的影响是可以忽略的这就保证了测量是在原 岩应力区进行的目前普遍采用的应力解除法和水压致裂法就是这种方法 对测量方法的分类并没有统一的标准有人根据测量手段的不同将在实际测量中 使用过的方法分为五大类[17]即构造法变形法电磁法地震法放射性法也有 人根据测量原理的不同分为应力恢复法应力解除法应变恢复法应变解除法水压 致裂法声发射法X 射线法重力法共 8 类 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 但根据国内外多数人的观点依据测量原理的不同可将测量方法分为直接测量法 和间接测量法两大类[17] 直接测量法是由仪器直接测量和记录各种应力量如补偿应力恢复应力平衡应 力并由这些应力量和原岩应力的相互关系计算出原岩应力值在计算过程中不涉及 不同物理量的换算不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系扁千斤顶法水 压致裂法刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法其中水压致裂法在目前的 应用最为广泛声发射法次之 在间接测量法中不是直接测量应力量而是借助某些传感元件或某些介质测量 和记录岩体中某些和应力有关的间接物理量的变化如岩体中的变形或应变岩体的密 度渗透性吸水性电阻电容的变化弹性波传播速度的变化等然后由测得的间 接物理量的变化通过已知的公式计算岩体中的应力值因此在间接测量法中为了计 算应力值首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系 套孔应力解除法和其它的应力或应变解除方法以及地球物理方法是间接法中较常用的 其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法 1.3 初始地应力场的分析和数值模拟方法 岩体一般不是连续的可以经历大的变形或位移[27]其物理性状显示出小或大的非 线性而且常常遭受实时动力荷载作用不连续性非线性大位移或变形和动力 荷载是岩体力学问题的真实性状和计算力学中的四个基本方面因此岩体力学中一个 好的数值方法应该能模拟岩体力学性状的这四个方面岩体力学中的数值模拟方法有多 种但应用最广泛的首推有限元方法 岩体的数值模拟研究[35] [36] [37]自 20 世纪 60 年代后期就开始了 在早期模拟中通常 用有限单元法模拟节理岩体模拟中把节理处理为单独的单元恩格Ngo和史考德 莱斯Scordelis提出模拟节理的两节点连接单元古德曼Goodman对上述模拟进 行了改进提出了有限元模拟中的节理单元这种节理单元是一个适用于二维分析的 4 节点零厚度的现状单元 节理单元的刚度矩阵是按与常用的有限元相同的方法推导出的 早期的古德曼Goodman单元不考虑节理的扩容把节理的刚度处理为常量1976 年 古德曼Goodman提出了改进的节理单元其能模拟材料的非线性此外Mehtab 扩 展了古德曼Goodman的节理单元的表达使其适于三维分析1970 年Zienkiewicz 等提出一种 6 节点节理单元其形状可以是弯曲的抛物面节理单元的厚度是任意给定 的 单元的材料性质可以是正交各向异性的或各向同性的 Ghaboussi 等根据塑性理论的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 概念提出岩石节理的一种单元节理单元有一个有限的厚度 t 和应用两个连续介质之间 的相对位移作为一个独立的自由度坎特纳Katona于 1981年研究出了一种接触摩擦 界面单元在用有限元法模拟岩体中的节理中古德曼Goodman单元和 Ghaboussi 单元得到了广泛应用 但是如果在计算模拟中引入较多的节理 它们仍然引起病态条件 有限元法已成为求解复杂岩石力学及岩土工程问题的有力工具并已为愈来愈多的科技 人员所熟悉有限单元法概念浅显容易掌握且具有很强的适用性应用极为广泛 有限元法能成功处理岩体工程中岩体非均质性各向异性非线性应力应变关系岩 体中一般都有断层夹层节理裂隙等而有限元法通过夹层单元能够模拟软弱夹层 的性质通过古德曼Goodman节理单元能够考虑节理的特性通过建立损伤断裂模 型能够很好的考虑多组节理裂隙对岩体的损伤作用通过损伤演化方程能够得到节理裂 隙开裂和发展情况有限单元法也能很好的模拟厂房区洞室群开挖加固的过程 有限元法在求解像弹塑性及流变动力非稳态渗流等时间相关性问题以及温度 场渗流场应力场的耦合问题等复杂的非线性问题中效果已使它成为岩体力学和岩土 工程领域中应用最广泛的数值分析方法 1.4 本文的研究意义 长城窝堡井田在科尔康油田范围内其煤炭储量 1 2 3 0 5 万吨拟建规模为 1 2 0 万吨 / a 的现代化大型矿井服务年限为 4 1 . 4 a 全国乃至全球有很多重叠式矿田本文的研究成果将对重叠式矿田的开采引起的地 应力场变化及其相互影响研究有一定的指导意义上覆煤田的开采引起的地应力场的变 化对下伏油田不同深度地应力场影响的量化研究所得出的结论对于类似重叠式矿田 的开采具有一定的参考价值本文运用岩石力学的观点和非线性有限元理论研究了长城 窝堡井田开采对科尔康油田的影响问题在研究理论上和研究方法上具有一定的可借鉴 性 1.5 本文所做的主要工作 研究地下工程结构 必须确切地了解岩土特性及其由外部荷载或边界条件的变化而 引起的应力应变及破坏的发展规律必须对地下工程的稳定和工作性态做出正确的评 价必须对地下工程提供合理和有效的设计施工方案还应对地下工程运行后可能出现 的不利现象提出相应的处理方案和工程预防措施 本文主要分析初始地应力煤矿开采对地应力场的影响本文依据岩土材料的非线 性大变形理论采用非线性有限元数值模拟方法分析了长城窝堡井田开采对科尔康油 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 田及其井田内长城一号油井的影响得出了以下工作成果 1对岩土材料的屈服条件和破坏准则进行了分析提出了适用条件使用德鲁克 普拉格DruckerPrager屈服条件对岩土材料的力学模型和本构关系进行分析给 出了非线性有限元理论表达式 2推导了各种荷载情况下岩土材料变形的非线性有限元计算公式 3 详细阐述了测量地应力的方法以及通过已知的地应力资料 结合已有的三维地震 信息运用有限元方法反演计算模拟了整个长城窝堡井田的区域地应力场给出其数 值解并绘制出了地应力场等值线图 4 对长城窝堡煤矿的开采引起的地应力场变化进行有限元数值模拟 分析其采后对 其下部科尔康油田及其井田内长城一号油井的区域应力场的影响得出了这种影响的量 化结果绘制出工作区域采矿附加应力与原岩应力的比值图件并得出相应的结论和建 议 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 2 非线性有限元理论 2.1 概述[10] [20] [25] [27][43] 岩石力学问题多数是非线性的岩石材料和变形的线性假设仅仅对是实际问题的一 种简化在分析线弹性问题时假设节点位移无限小材料的应力应变关系满足虎克 定律加载时边界条件性质保持不变如果不满足上述条件之一时就称为非线性问题 非线性可归结为两大类材料非线性和几何非线性当用公式描述具体的工程问题 时这种分类常可带来很大的方便如果体系的非线性是由于材料的应力应变关系引 起的称之为材料非线性它研究的是应力和应变之间的关系即本构关系如果结构 的位移使体系的受力状态发生了显著的变化以至于不能采用线性体系的分析方法则 称为几何非线性它主要讨论元素的运动关系式和平衡关系式即应变与位移的关系在 大部分岩土工程问题中载荷引起的位移和应变都是较小的仅是在应力和应变方面存 在不可忽略的非线性性质处理这类岩石工程问题需采用材料非线性方法非线性与有 限元相结合就形成了非线性有限元法 有限元法是随着电子计算机的应用而发展起来的一种有效的数值方法有限元法的 基本思想是将连续结构分割成数目有限的小单元体称为单元这些小单元体只在数 目有限的指定点称为节点上互相连结用这些小单元体组成的集合体来代替原来的 连续结构当然每个小单元体上的力学特性都与原结构对应于该小单元处的力学特性 相同再把每个小单元体上实际作用的外载荷按虚功等效原理分配到单元的节点上构 成等效节点力并按结构实际约束情况决定节点约束这一过程通常称为结构离散化 其次对每个小单元根据分块近似的思想选择一个简单的函数来近似地表示其位移分 量的分布规律并按弹性力学中的变分原理虚功原理建立起单元节点力与节点位移 之间的关系单元刚度方程最后把全部单元的节点力与节点位移之间的关系组集起 来就得到了一组以结构节点位移为未知量的代数方程组并考虑结构约束情况消去 节点位移为零的方程再由最后的代数方程组就可求得结构上有限个离散节点的各位移 分量之后即可按单元的几何方程和物理方程求得各单元的应变和应力分量有限元 的实质就是把具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体 使问题简化为适合于数值解法的结构型问题 2.2 材料非线性[10] 岩体非线性问题主要是材料非线性问题材料非线性中最常见的是与加载历史无 关的非线性弹性和与加载历史有关的非线性弹塑性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 非线性弹性问题中应力应变关系为非线性但材料为完全弹性的应力应变 互为单值函数与加载历史无关非线性弹塑性问题中应力应变关系为非线性的 但材料不是完全弹性的应力应变不是互为单值因数关系而是与加载历史有关非 线性中还有粘塑性蠕变等它们均与时间有关 材料非线性是指材料的本构方程是非线性的主要分为两类一类是非线性弹性问 题即在加载时应力应变关系等性质呈现非线性关系卸载时应变恢复另一类是材 料的弹塑性问题即材料超过屈服极限后呈现出非线性其过程是不可逆的会产生残 余变形 2.2.1 本构关系[25] 本构关系是指岩石的应力或应力速率与其应变或应变速率的关系若只考虑静力问 题则本构关系是指应力与应变或者应力增量与应变增量之间的关系建立在试验观 察和公理体系上的对物理现象的数学描述其一般形式为 ijfij 2 - 1 式中 fij是二阶对称张量对于线弹性体 ij只是当前变形的函数 1非线性弹性模型 对于该材料其特点是加卸载规律相同其表达式为 c 2-2 式中 c 为的函数即 c c 2 - 3 2 非线性弹塑性模型 当该材料发生塑性变形时其总应变可分解为弹性应变和塑性应变之和即 pe εεε 2 - 4 对于弹塑性全应变增量表达式为 pe dddεεε 2 - 5 弹性阶段应力增量与应变增量呈线性关系即 p ddDdεεσ− 2 - 6 式中 D 为弹性矩阵对于三节点平面应力问题弹性矩阵 D 为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9             − − 2 1 00 01 01 1 2 E D 2 - 7 对于三节点平面应变问题弹性矩阵 D 为             − − − − 2 21 00 01 01 211 E D2 - 8 通过计算可得弹塑性应力与应变之间关系为 ε σ σ σ σ σ σ σ σ σd DH DD Dd T T                   ∂ ∂         ∂ ∂         ∂ ∂ ∂ ∂ − −− −− 2 - 9 简记为 εσdDd ep 2 - 10 式中 ep D 为弹塑性矩阵且满足 pep DDD− 2.2.2 屈服条件[27] 在复杂应力作用下岩石初始进入塑性状态的应力值称为屈服应力材料是否达到 屈服条件进入塑性状态取决于其加载历史当时的应力状况和材料本身的性质当材料 开始塑性变形的应力状态对于初始各向同性材料在一般应力状态下开始进入塑性流 动的条件是 F, h fYh0 2 - 11 式中 h 为材料塑性状态有关的参数对于理想塑性 h 为取决于屈服限的常量对于应变 硬化软化特性的材料h 是应力状态的函数这种屈服条件可看作 n 维应力空间中 的一个曲面 i 其位置由参数 h 的当时值而定 由于满足塑性条件的应力点都落在屈服面 上因此其屈服条件又称屈服面方程 屈服准则 屈服准则是从屈服条件中引申出来的是为了更好的解决具体问题 常用于岩石混凝土等材料的屈服条件有摩尔库仑MohrCoulomb条件和德 辽宁工程技术大学硕士学位论文 10 鲁克普拉格DruckerPrager条件[12] 1摩尔库仑MohrCoulomb条件 0cossinsin 3 cossin _ _ −−φθφ σ θσφσcF m 2 - 12 其中kc和kφ分别是内聚力和内摩擦角它们依赖于某个应变硬化参数k 2德鲁克普拉格DruckerPrager条件 03 _ −kF m σασ 2 - 13 其中 sin33 sin2 φ φ α − sin33 cos6 φ φ − c k c和φ 分别为内聚力和内摩擦角 2.2.3 强化规律[14] 当岩石初始屈服后继续加载或卸载后又重新加载其屈服条件发生变化这种变 化叫岩石的强化现象 在复杂应力状态下材料进入塑性后继续加载屈服面将发生改变称为加载面 加载面取决于应力应变及塑性功 假设在复杂应力条件下加载面为初始屈服面作相似扩大则 F ij k0由米 塞斯Misses屈服条件可知0− − kσ而 k 可取        ∫ ∫ − 0 p T p dwkk kk dkk σ ε 2 - 14 式中 − p dε为等效塑性应变增量 ijpijp ddw , εσ 2 - 15 按照增量理论材料屈服后的应变增量表示为弹性应变增量和塑性应变增量之和 即 pe dddεεε2 - 16 辽宁工程技术大学硕士学位论文 11 下标 ep 表示为弹性和塑性其相应的等效应变增量有 −−− pe dddεεε2 - 17 对于三维主应力坐标 2 , 2 , 2 , 3 2 zpypxpp ddddεεεε − 2 - 18 对于一般空间坐标 2 1 3 2 2 , 2 , 2 , 2 , 2 , 2 ,zzpyzpxypzpypxpp dddddddεεεεεεε − 2 - 19 2.2.4 流动法则 流动法则是联系塑性应变增量与应力关系的法则由于塑性流动面与加载面并非一 致因此 1928 年范 米塞斯Von Misses提出了塑性势流动理论根据塑性流动的正 交性规律塑性应变表示为 σ λε ∂ ∂ G d p 2 - 20 式中{ },hGGσ 即塑性应变增量 它与加载历史 应力状态和材料的塑性性质有关 为非负的塑性标量因子 塑性势在 I1J1/2平面内是凸曲线由上式中塑性应变矢量指向其外法线方向其水 平应变分量为塑性的体积应变增量竖向分量为塑性的形变应变增量 2.2.5 加卸载准则[10] 该准则用于判断某一塑性状态来说是继续加载还是弹性卸载这是在计算过程中 判断是否继续塑性变形而采用弹塑性本构方程还是弹性卸载而采用弹性本构方程 其准则为 当 F0 时0 ∂ ∂ σ σ d f 时 继续塑性加载 当 F0 时060主要为泥晶方解石分布均匀呈电呈典型的泥灰结构 滴[c]砂质岩中砾石成分以安山岩及凝灰岩块为主粒径一般 710mm最大 25mm 次棱角状砂岩成分同砾石次圆形粉沙岩含灰普遍滴[c]胶结疏松致密泥质 岩质不纯性较软吸水性较强可塑性好煤层质轻呈亮黑色脆可燃性好 燃烧时发出煤气味泥灰岩呈尖刀状中高阻值砂岩呈尖刀状中低值煤层呈特高值 尖刀状锋泥岩低阻缓平自然电位中呈正异常根据岩性电性与邻井对比划分与 下覆地层呈假整合接触 4侏罗系上统九佛堂组底深 1025.0m视厚 341.0m岩性为浅灰灰色泥质 含砾岩粉沙岩及泥质粉沙岩与灰色泥岩呈不等厚互层中部为块状灰色糜棱岩和凝灰 岩砂质岩成分以石英为主次为长石含少量暗色矿物砾石以花岗岩块为主粒径 27 撑门面次棱角次圆形分选差泥质胶结疏松泥质岩质不纯含砂普遍车 成岩性好性较硬糜棱岩的镜下岩石是由构造作用产生的眼球状石英及泥质组成泥 质呈丝状定向排列在眼球的周围形成典型的糜棱构造局部含少量的石英砂凝灰岩 的镜下岩石主要由火山灰组成含少量的陆源碎屑石英火山灰主要由安山玄武岩屑玻 璃基玄武岩屑组成火山灰胶结具典型的岩屑凝灰结构含少量泥质砂岩呈尖刀状 锯齿状中低阻值 泥岩呈缓冲状低阻 糜棱岩及凝灰岩呈块状高阻值 自然电位曲线 呈 正异常根据岩性电性组合特征与邻井对比而定与下覆地层呈整合接触 辽宁工程技术大学硕士学位论文 28 5 侏罗系上统义县组底深 1392.94m未穿揭露视厚 367.94为灰绿色 灰色玄武岩夹灰色绿灰色紫红色玄武泥质岩玄武岩是隐晶质结构气孔杏仁状 构造致密坚硬气孔填充物主要为方解石及石髓裂隙不发育玄武质泥岩的玄武质 泥化较深由较硬软玄武岩曲线呈刺刀状块状高特高值泥岩为向下陡坡根据 岩性电性与邻井对比划分 张强凹陷是一个晚侏罗世和早白垩世的迭和盆地主要发育于晚侏罗世早期受断 陷控制沉积了巨厚的火山岩和湖相碎屑岩晚期抬升遭受了较严重的剥蚀进入白垩 世后凹陷又一次有一定幅度的整体沉降沉积物广布于整个凹陷以至整个辽北地区及 松分地南部地区地层厚度明显受地形凹陷控制 本井由于晚侏罗世早期的燕山运动产生一系列北东北北东和近南北向的基底断 裂导致大规模的中基性火山岩喷发在双断型断陷的背景上堆积了较厚的义县组 玄武岩火山喷发后构造应力释放凹陷进入相对宁静阶段基底塌陷形成汇水古湖 泊水体较浅水质较淡在弱氧化环境下沉积一套灰绿灰色泥质含砾砂岩泥质粉 沙岩及粉沙质泥岩由于断裂差异沉降在九佛堂组中部接受一套凝灰岩堆积 晚侏罗世中期沙海组沉积时期在凹陷东西边界断层控制下湖盆水体进一步扩 大水质淡化早期沉积一套河湖沼泽相灰色砾状砂岩含灰粉砂岩及暗色泥岩晚期 由于断裂活动逐渐减弱湖盆抬升水体收缩在弱氧化环境下沉积了河流河湖交互 相的绿灰色含砾砂岩和泥岩随着燕山期构造运动的来临断陷抬升结束了它的断陷 历史 经沙海组的全区整体抬升剥蚀后从泉头组开始水体再次进入本区由于构造运 动的不均衡沉降使沉积环境动荡气候干燥形成一套紫红色砾状砂岩及紫红色泥岩 沉积随着燕山末期构造运动的来临,区域再次抬升结束了坳陷期发展历史后经新生 带的构造运动形成现今低丘平原的自然的地理景观 4.2.2 油田地质构造 张强凹陷是铁岭昌图盆地次级构造单元之一大地构造处内蒙地轴和东北地槽交汇 地带南隔内蒙地轴北缘与辽河断陷相望东邻松辽盆地东南隆起区的南延部分西部 和北部以架马吐隆起为界与开鲁坳陷的哲中坳陷和松辽盆地主体相望凹陷是发育在海 西期褶皱基底和前寒武纪基底上经晚侏罗纪早白垩世燕山期运动发展起来的不对称 地堑式箕状凹陷呈近南北转北西向展布由两个负向构造单元组成即吉尔噶朗洼陷 面积约 160km2和七家子洼陷面积约 220km2据 IS 层反射构造图凹陷中部发 辽宁工程技术大学硕士学位论文 29 育长城断裂背斜面积约 32km2构造幅度 200300m长 I 井位于该构造东南部 长城断裂背斜构造属于张强凹陷中央断裂构造带总体走向为北西西向南邻七 家子生油洼陷向东为东部斜坡带北与白音断鼻和长北断鼻构造相邻主要受北西向 断层控制形成构造圈闭为油气聚集的有利部位 长 I 块位于长城断裂背斜中部受北西及北东向正断层控制的近长方形单斜断块 圈闭面积约 2.1km2构造高点在该地西北部长 I 井位于该东南部属构造较低部位 通过对 13 地震测线及 29 地震测线进行分析 并结合录井分析 该井在 846.0870.5m 岩屑见灰色糜棱岩认为是断层带通过对比地震测线分析断层倾向北西为正断层 断距为 65m通过该井九佛堂组中部地层 通过该井实际钻探表明本区的断层均为张性正断层且断层的开启性好使该区的圈 闭条件差不利于油气的聚集和保存 4 . 3 煤田地质概况 4 . 3 . 1 井田地质构造 1 井田构造形态 根据地震钻探测井资料的综合分析研究结果是含煤地层产状平缓倾斜角一 般为 51 5井田东部西部的走向均有向北偏转的趋势总观全区的走向近东西且 向南倾斜的单斜构造 在井田北部边界附近有有一走向东西的地步背斜本井田在地步背斜的南翼上 区内次一级的宽缓波状褶曲较为发育均呈北北西或北西向展布 2 井田内构造的一般规律 井田内断裂较为发育且均为正断层 区内断层共有四组北东向北西向北北西向及东西向 断层形成的先后顺序是东西向北东向北西向最后是北北向切割关系是后 期相成的断层切割前期形成的断层其规律归纳为以下四点 在区域构造上调兵山背斜以西含煤盆地均呈北西向展布井田内不但北西 向褶曲发育而且北西向断裂也较发育且落差较大延伸长 区内仅有后期发育的北北西向断层断白垩系的地层外其它三组断层均不断白 垩系的地层 区内四组断层均断火成岩 落差大的断层在区内延伸很快尖灭断层倾斜角一般在 7 0左右 辽宁工程技术大学硕士学位论文 30 3 断层 利用上述各类断点共组合 4 3 条断层井田内共 4 0 条断层见断层分组表 4 - 1 现将落差大于 1 0 0 米的 1 0 条断层分述如下 F1位于井田东部断层走向在 2 8 线以南为 N 2 2E 向北过 2 8 线 表 4 - 1 断层分组表 1 0 0 F 5 0 - 1 0 0 F 3 0 - 5 0 F 3 0 F 合 计 北东向 1 . 3 . 6 . 2 9 2 . 4 . 7 . 1 - 1 . 1 1 5 . 1 3 . 2 0 . 2 7 . 3 9 1 8 . 2 3 1 6 北西向 2 2 . 2 5 9 . 1 2 . 1 6 . 1 7 . 2 1 . 2 8 . 4 1 . 3 5 8 . 2 6 . 3 1 . 3 2 . 2 5 - 1 3 0 . 3 3 1 7 北北西 向 1 4 . 4 0 . 1 9 3 东西向 1 0 2 4 . 3 4 . 4 4 7 - 1 . 3 7 . 1 5 7 合计 1 0 1 6 1 0 7 4 3 后走向近 S N 倾向 6 0最大断距 1 7 0 米北部延伸至井田边界外向南尖灭在 9 8 8 号 钻孔南 4 3 0 米处延伸长度 4 1 3 0 米共利用 8 2 8 9 8 8 9 3 7 8 2 2 号钻孔四个实见点 地震点 1 5个A级点 8个B级点 6个C级点 1个9 3 0 - 1 0 1 8 8 2 6 - 8 8 8 8 5 2 - 7 0 4 为三对钻孔标高差所以此断层控制可靠 F3位于井田西南部断层走向 N 3 8E 倾向 N W 倾角 7 0最大断距 1 5 2米向西 延伸至井田边界外 向东北尖灭在距 8 4 8 号钻孔 4 5 0 米处 延伸长度 9 6 0 米 共利用 8 4 8 号钻孔一个实见点地震点 4 个A 级点 2 个B 级点 2 个所以此断层控制可靠 F6位于井田西南部断层走向 N 4 2E 倾向 N W 倾角 6 5最大断距