Плотностные свойства скальных и связных горных пород.
Лекция 1
Введение
Настоящее время характеризуется бурным развитием промышленного производства, направленного на удовлетворение различных потребностей общества. Его основой является, прежде всего, сырье, извлекаемое большей частью из недр земли. Надежность и долговечность функционирования подземных объектов в значительной мере зависит от понимания тех механических процессов, которые развиваются в высоконапряженном породном массиве вокруг искусственно создаваемых полостей. Закономерности поведения породного массива в окрестности подземных выработок изучает прикладная наука - механика горных пород, или геомеханика.
Механика горных пород возникла на стыке таких наук как механика сплошной среды, физика твердого тела, высшая математика, теория вероятностей, геология, теория подземного строительства. Сейчас трудно представить процесс освоения земных недр без методов геомеханики.
Основной целью при изучении дисциплины «Механика горных пород» является приобретение студентами знаний, позволяющих в конкретных горно-геологических условиях, опираясь на исходные данные геологической разведки, оценить геомеханическую ситуацию, определить количественные характеристики взаимодействия системы «крепь-породный массив», рассчитать параметры крепи, обеспечивающие безопасную эксплуатацию выработок, а также параметры систем разработки при подземных или открытых горных работах, позволяющие производить эффективную добычу полезного ископаемого.
История развития механики горных пород охватывает сравнительно небольшой период от начала прошлого века до наших дней. В 1907 году была опубликована монография М.М. Протодьяконова «Давление горных пород на рудничную крепь», которая явилась первой теоретической работой по механике горных пород. В ней рассмотрена гипотеза образования свода естественного равновесия над горными выработками и выполнен расчет крепей для шахт неглубокого заложения.
В 1911 году появляются работы Т. Кармана по изучению поведения горных пород в условиях всестороннего сжатия, в которых он проверяет правильность предпосылок теории прочности О. Мора.
В 1920-1950 годах опубликованы работы О.Ф. Графа, Ф.А. Белаенко, А.А. Борисова, М.И. Койфмана, Г.Н. Кузнецова, В.Д. Слесарева, Д.С. Ростовцева, А.И. Целигорова, П.М. Цимбаревича и других авторов, посвященные вопросам определения величины давления горных пород на крепь, изучения физико-механических свойств горных пород и массивов, устойчивости горных выработок. Исследования этого периода основываются, в основном, на простых моделях среды и изучаемых объектов.
Позже были опубликованы фундаментальные работы в области горного давления, базирующиеся на положениях теории упругости, пластичности и ползучести (Ф.А. Белаенко, В.В. Виноградов, Ж.С. Ержанов, Л.В. Ершов, Б.А. Картозия, А. Лабасс, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, Л.Я. Парчевский, А.Г. Протосеня, К.В. Руппенейт, А.Н. Шашенко, Е.И. Шемякин, Р. Феннер и др.), а также работы, в которых породный массив рассматривался на основе статистических моделей (И.В. Баклашов, М.А. Долгих, В.В. Матвиенко, Л.Я. Парчевский, К.В. Руппенейт, А.Н. Шашенко, В.И. Шейнин и др.).
К этому времени в механике горных пород сформировалось самостоятельное направление, связанное с исследованием газодинамических проявлений горного давления (С.Г. Авершин, Л.Н. Быков, А.Н. Зорин, И.М. Петухов, В.В. Ходот, Е.И. Шемякин и др.)
Большой комплекс работ по исследованию проявлений горного давления в натурных условиях был выполнен научными коллективами под руководством В.Т. Глушко, Ю.З. Заславского, А.Н. Зорина, Г.А. Крупенникова, А.П. Максимова, И.Л. Черняка и др.
Одновременно проводились обширные лабораторные исследования по моделированию геомеханических процессов (Г.Н. Кузнецов, В.Ф. Трумбачев и др.) и по изучению физико-механических свойств (Л.И. Барон, З.Т. Бенявский, В.В. Виноградов, Е.И. Ильницкая, Ю.М. Карташов, А. Кук, Б.В. Матвеев, В.В. Ржевский, К.В. Руппенейт, А.Н. Ставрогин, Б.М. Усаченко, Л.А. Шрейнер, В.С. Ямщиков, и др.).
С развитием вычислительной техники большое значение в механике горных пород приобрели численные методы исследования сложных многосвязных физических моделей (Б.З. Амусин, Ж.С. Ержанов, Т.Д. Каримбаев, С. Крауч, Л.В. Новикова, А. Старфилд, Б.А. Фадеев и др.)
В настоящее время методы механики горных пород являются основой для создания глобальных компьютерных систем геомеханического мониторинга (ГМ-мониторинга) породного массива в окрестности выработок, с помощью которых осуществляется эффективное и безопасное освоение подземного пространства.
Первые обобщающие труды по теоретическим и экспериментальным исследованиям горных пород, на основании которых сформировалось основное содержание физики горных пород, появились только лишь во второй половине двадцатого столетия. Большой вклад в развитие и становление физики горных пород как самостоятельной науки внесли В.В. Ржевский, Н.В. Мельников, В.Н. Кобранова, А.И. Заборовский, В.Н. Дахнов, В.М. Добрынин, Э.И. Пархоменко, М.П. Воларович, М.М. Протодьяконов, П.М. Цымбаревич, Ю.А. Векслер, П.А. Ребиндер, А.С. Семенов, А.Г. Иванов, Б.Н. Кутузов, А А. Воробьев, Г.Я. Новик, Ф. Берч, Ф. Гассман, Н. Кристенсен и многие другие ученые.
Научные и практические задачи физики горных пород, сформулированные во второй половине прошлого века академиком В.В. Ржевским, являются актуальными и на современном этапе развития горного производства. Без определения значений физико-технических параметров пород, закономерностей изменения их свойств в условиях внешних воздействий принципиально невозможна разработка новых эффективных методов разрушения пород и управления этими методами, новых технологий производства горных работ, создания систем контроля состава, состояния и особенностей поведения пород в процессе ведения горных работ.
Среди горных наук физика горных пород занимает особое место, являясь не только самостоятельной, но, пожалуй, и единственной фундаментальной наукой, обогатившей мировые знания целым рядом научных открытий.
Базовыми дисциплинами являются общая геология, минералогия, кристаллография, петрография, физика, математика, химия и сопротивление материалов.
В программе подготовки специалиста горного профиля одной из основных учебных дисциплин является физика горных пород, изучающая физические свойства пород, закономерности изменения установленных свойств, протекающие физические процессы и происходящие при этом физические явления. Комплекс полученных знаний используют при разработке новых методов воздействия на породы, конструировании машин и механизмов, разработке новых технологий производства горных работ и т.д. Физика горных пород не только дает знания о тех или иных физических особенностях пород, но и предлагает наиболее эффективные пути решения технологических задач, поставленных горным производством.
Таким образом, при изучении курса физики горных пород основные задачи, стоящие перед будущими специалистами в области инженерной механики, геологии, экологии и горного дела, сводятся к следующему:
• усвоить общие понятия и терминологию физики горных пород, знания о физических свойствах горных пород и численные значения физических показателей пород;
• овладеть знаниями общих вопросов физики горных пород, усвоить основные положения и научиться применять их в решении разнообразных вопросов теории и практики;
• усвоить методы прогноза изменяемости свойств пород в результате внешних воздействий, овладеть принципами воздействия на породу;
• изучить основные методы исследования процессов, протекающих в породах при воздействии внешних физических полей;
• изучить и понять физические явления, происходящие в горных породах, уметь раскрыть суть их механизмов;
• научиться обобщать, анализировать и устанавливать связь протекающих явлений с различными физическими параметрами горных пород.
Физика горных пород, изучающая многофазные системы сложной структуры, сформированные в природе при комплексном воздействии различных физических и вещественных полей, является отраслью естествознания, основанного главным образом на экспериментальных данных, полученных при изучении образцов горных пород либо непосредственно при исследовании физических процессов, протекающих в массиве пород.
Современные методы экспериментальных исследований, развиваемые в физике твердого тела, теоретические работы и методы физико- математического моделирования с использованием квантово-механических закономерностей, вычислительные методы решения задач напряженно- деформированного состояния горного массива, данные комплексных геофизических исследований, физико-механического и геологического моделирования горного массива, новые достижения в области электрогеохимии, механохимии и других интенсивно развивающихся наук этого направления успешно используются в физике горных пород при решении многих задач фундаментального и прикладного характера.
Экспериментальные исследования причин и механизмов, вызывающих различные геомеханические процессы, фазовые и структурные превращения и другие физико-химические явления в породах и минералах, требуют глубокого изучения характера, особенностей поведения и взаимодействия частиц в минеральном веществе, межфазном и межзерновом пространстве. С этой целью используют методы туннельной микроскопии, ядерного магнитного резонанса, рентгеноструктурного анализа, электронографии, ядерного гамма-резонанса, электронно-зондового микроанализа, электронной микроскопии, оптической, люминесцентной, световой и др.
Успешное решение технологических задач и вопросов повышения производительности труда в горном производстве невозможно представить без знания физико-химических процессов, протекающих в горных породах, явлений и закономерностей, характеризующих изменение свойств пород в результате воздействия на них различными физическими полями. Одной из специфических особенностей горного производства практически на любом этапе технологической цепи являются постоянно взаимодействующие между собой такие главные элементы как горные породы, машины и механизмы. С этой точки зрения работа специалиста горного профиля может быть эффективной и полезной в том случае, если он владеет достаточно глубокими знаниями о свойствах и особенностях функционирования этих элементов в различных производственных условиях.
Наиболее ярким примером связи физики горных пород с проблемами горного дела является тесный союз этой науки с главными технологическими элементами процессов проведения выработок и выемки полезных ископаемых: разрушением, дроблением, поддержанием выработок, транспортированием горной массы, обогащением полезных ископаемых. Масштабы этих работ (если их выразить в тоннах или кубометрах добытой горной массы) составляют несколько сотен миллионов тонн в год. Используя простые расчеты, можно убедиться насколько значительными могут оказаться экономические показатели при использовании достижений физики горных пород, особенно в области ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Однако не стоит считать, что связь физики горных пород ограничивается только кругом технологических проблем, возникающих при добыче полезных ископаемых. Параллельно решаются вопросы охраны окружающей среды, безопасности труда и многие другие практические и научные задачи, представляющие в целом интерес для цикла геологических дисциплин и физических наук.
Таким образом, изучая свойства горных пород и явления, протекающие в породе, закономерности, проявляющиеся как в результате естественных физико-химических взаимодействий между ее компонентами, так и при техногенном влиянии, физика горных пород активно способствует успешному решению вопросов, связанных с совершенствованием горного производства.
Классификация свойств горных пород. Минералы и горные породы. Плотностные свойства
Горные породы - природные образования, слагающие разнообразные геологические тела, из которых построена земная кора. Они представляют собой закономерные сочетания или механические смеси различных по составу кристаллических минеральных зерен, наряду с которыми могут присутствовать аморфное вещество и органические остатки; к горным породам относятся встречающиеся в земной коре смеси жидких минеральных веществ (неорганических и органических). Термин "горные породы" впервые был введен в обиход российским академиком В.М. Севергиным в XIX ст.
По происхождению горные породы делят на три группы:
• магматические, образованные из застывшей в недрах или на поверхности Земли магмы;
• осадочные, образованные в результате накопления и преобразования продуктов разрушения, ранее возникших горных пород на поверхности Земли при обычных температурах и нормальном давлении;
• метаморфические - за счет изменения осадочных и магматических пород в результате действия высоких давлений, температур, естественного электрического поля, газообразных веществ, выделяющихся из магмы и т.д.
Все горные породы характеризуются определенными особенностями строения и физическими свойствами, которые отражают условия их образования и изменения. Это плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства.
Горные породы, перечисленных трех групп, различаются между собой по условиям залегания, химическому и минеральному составу, структуре и текстуре, обусловленными особенностями расположения в породах минералов и их размерами, наличию рудных и нерудных полезных ископаемых.
Структура (от лат. struktura - расположение, строение) - совокупность признаков, определяемых формой, размерами и взаимным расположением отдельных компонентов породы, т.е. минеральных зёрен, обломков пород. В понятие структуры входят степень кристалличности породы, размеры и форма кристаллических зерен, взаимоотношение раскристалли- зовавшегося и стекловатого материала и др.
Условия охлаждения и вязкость магмы определяют степень кристаллизации горной породы. Так, на больших глубинах при медленном остывании образуется порода, состоящая полностью из минералов кристаллического строения. Она имеет кристаллически-зернистую структуру (граниты, сиениты, диориты, габбро, перидотиты и т.п.). Если порода образуется при быстром охлаждении, то она может целиком состоять из стекла и определяться как стекловатая. Примерами служат базальтовые стекла, обсидианы.
Главными структурами магматических пород является: тонкозернистая (размер зерен от 0,1 до 0,001 мм), мелкозернистая (около 1 мм), среднезернистая (от 1 до 5 мм), крупнозернистая (от 5 до 10 мм) и гигантозернистая (более 10 мм), равномернозернистая (примерно одинаковый размер зерен) и неравномернозернистая, порфировидная (с крупными вкраплениями - порфировыми выделениями, погруженными в более мелкозернистую основную массу), пегматитовая (ее называют также пись менная или графическая), характерную для своеобразных кварцево-полевошпатовых прорастаний в гранитных пегматитах и др.
Для излившихся и гипабиссальных интрузивных пород основного состава (базальтов, диабазов и др.) характерны офитовая и диабазовая структуры {гипабиссальные породы образовались на небольшой глубине в результате кристаллизации порций магмы; интрузивные породы закристаллизовались из магмы, которая внедрилась в породы земной коры).
В структурах метаморфических пород различают: гранобластовую - с преобладающей изометричной формой зерен минералов, лепидобласто- вую с пластинчатой или чешуйчатой формой большинства зерен, нематоб- ластовую с шестоватой, столбчатой формой зерен, фибробластовую - с волокнистой, игольчатой формой зерен и др.
Структуры осадочных пород будут рассмотрены при описании отдельных их разновидностей и групп.
Текстура (от лат. textura - ткань, сплетение) - совокупность признаков, определяющих внешний облик породы и характеризующихся взаимным расположением и ориентировкой минеральных агрегатов в объеме. Таким образом, характеристики отдельных зерен имеют значение для определения структуры, а характеристики минеральных агрегатов и их расположение в пространстве - для определения текстуры.
Выделяют следующие основные текстуры: массивную (однородную), слоистую, сланцеватую, флюидалъную (со следами течения в стекловатых вулканических породах), такситовую (с неравномерным и неправильным расположением участков различной структуры) и др. Сланцевая текстура свойственна большинству метаморфических пород. Она обусловлена параллельной ориентировкой пластинчатых и чешуйчатых выделений минералов.
В зависимости от условия образования текстуры горных пород подразделяются на первичные и вторичные. Первичные текстуры изверженных пород образуются в период остывания магмы. При движении магмы, когда наряду с жидкой фазой находятся выделившиеся из магмы твердые кристаллы, происходит ориентировка твердых кристаллов в пространстве. Среди первичной текстуры изверженных пород известны линейные и полосчатые (или слоистые). Линейные характеризуются параллельным расположением игольчатых, призматических или таблитчатых кристаллов. Слоистость выражается в послойном чередовании пород различного состава, или в плоско-параллельном расположении таблитчатых минералов.
Вторичная текстура горных пород образуется при тектонических процессах. Она характерна для таких метаморфических пород как гнейсы, кварциты, мраморы и др.
В текстуре породы различают два типа закономерной ориентировки минералов: по форме зерен и по внутреннему строению. Ориентировка по форме зерен возможна при наличии зерен удлиненной или пластинчатой формы кристаллов; она может быть первичной или вторичной за счет деформации зерен. Встречается в гнейсах и сланцах. Часто в кварцитах, жильном кварце, содержащих зерна изометрической формы, обнаруживается ориентировка по определенному расположению кристаллографических осей (ориентировка по внутреннему строению).
В зависимости от степени ориентировки минералов текстура может быть полной или ограниченной. Чем больше рассеяны минералы в породе, тем в меньшей степени проявляется анизотропия породы за счет текстуры.
Для установления структуры и текстуры горных пород чаще всего используют оптические микроскопы, однако в отдельных случаях эти параметры определяются и визуально. По ориентации частиц и наличию пустот породы делят на массивные, пористые и слоистые.
Твердость пород определяется твердостью главных породообразующих минералов. По твердости породы различают: низкой твердости, средней, твердые и весьма твердые.
Плотность. Различают легкие породы с объемным весом менее
3 3
1,5 г/см , средние, имеющие объемный вес 1,5-2,9 г/см , и тяжелые, у которых объемный вес составляет более 2,9 г/см3.
Частицы горных пород - минеральные агрегаты, минералы - имеют различную силу сцепления, которая зависит от структурных связей между ними. Преобладающий тип связи между частицами породы характеризует породы с точки зрения их прочности:
• рыхлые, сыпучие или раздельно-зернистые - связи между частицами молекулярные. Эти породы представлены механической смесью частиц (песок, гравий, галечник). Некоторые из рыхлых пород легко распадаются на слагающие их частицы. При ударе в таких породах, как правило, образуется углубление.
• слабосвязанные - глинистые породы, суглинки, лессы - связи в них сильно зависят от влажности.
• прочносвязанные, твердые, скальные. В этой категории пород различают вязкие и хрупкие породы. Связь между частицами этого типа пород - химическая. К прочносвязанным породам относятся песчаники, гнейсы, граниты и др.
Горная порода в общем случае является многокомпонентной, многофазной гетерогенной системой. Неоднородность горных пород определяется следующими видами.
Фазовый состав. Порода может быть представлена несколькими фазами, например, тремя - твердой, жидкой, газообразной; двумя - твердой и газообразной, жидкой и газообразной.
Компонентный (минеральный) состав. Каждая фаза может быть представлена одним, двумя или несколькими твердыми минералами (твердая фаза), жидкостями и газами (жидкая и газообразная).
Химический состав. Твердая, жидкая и газообразная фазы имеют вполне определенный состав из химических элементов. Гетерогенность породы определяется различным происхождением составляющих компонентов.
Структурно-текстурное строение. Этот параметр обусловлен сложным образованием, состоящим из двух и более различных пород.
Фазовая неоднородность - это поверхности раздела между фазами. Например, в глинистом коллекторе твердая фаза и свободная вода занимают обособленные объемы, а между ними поверхностью раздела является физически связанная вода, т.е. новый компонент, который становится иногда весьма заметным и влияющим на изучаемые параметры. Компонентная неоднородность характеризуется составом фаз породы. К текстурной неоднородности относят различные включения в виде прослоев, линз.
Уровни неоднородности могут быть весьма различны, и зависят они от природы неоднородности. В табл. 4.1 показаны масштабы неоднородности горных пород. Масштабы неоднородности необходимо знать при лабораторных и полевых исследованиях горных пород. Необходимость эта возникает в связи с выбором методов исследования: визуальных, акустических, оптических, электронно-микроскопических, ядерных и др.
Таблица 4.1 - Масштабы неоднородности (по В.М. Добрынину)
| Составные части породы | Размеры, м |
| Атомы, ионы | |
| Молекулы | |
| Моно- и полимолекулярные слои (толщина) | |
| Поры, заполненные жидкостью или газом | |
| Зерна кристаллического скелета | |
| Полости выщелачивания | |
| Прослои, линзы, включения |
Базовые параметры физических свойств горных пород (см. таблицу) – независимые физические параметры свойств горных пород, позволяющие при их наличии вычислить все остальные параметры.
Определения каждого из базовых параметров, а также и других параметров приведены в соответствующих, разделах данного конспекта лекций.
Таблица базовых параметров.
| № | Класс | Группа | Наименование | Обозначение | Единица СИ |
| Плотностные | - | Объемная масса |  | Кг/м3 | |
| Пористость | Р | % | |||
| Механические | Прочностные | Предел прочности на одноосное сжатие |  сж | Па | |
| Предел прочности на одноосное растяжение | р | Па | |||
| Деформационные | Модуль упругости | Е | Па | ||
| Коэф-т Пуассона |  | ед | |||
| Тепловые | Коэф-т теплопроводности |  | Вт/м*К | ||
| Удельная теплоемкость | С | Дж/кг*ос | |||
| Коэф-т линейного теплового расширения |  | 1/оК | |||
| Электромагнитные | Электрические свойства | Удельное электрическое сопротивление |  э | Ом*м | |
| Относительная диэлектрическая проницаемость |  | ед. | |||
| Магнитные свойства | Относительная магнитная проницаемость |  | ед. |
4.5. Пористость и структура порового пространства
В строении горных пород отмечается твердая, жидкая и газовая фазы. Твердая фаза слагает минеральный скелет, а жидкая и газовая заполняют пустоты, имеющиеся как между минеральными зернами, так и внутри минералов. Эти пустоты, в которых заключается газово-жидкая фаза, называются поровым пространством породы.
Среди пористости различают: пористость общую (абсолютную, физическую полную), т.е. суммарный объем всех пустот независимо от формы, величины и взаимного расположения; пористость закрытую (отрицательную, замкнутую) - совокупность замкнутых, не имеющих между собой сообщения пор; пористость открытую (насыщенную, эффективную) - совокупность сообщающихся между собой пор и пустот, т.е. объем той пористости, в пределах которой возможно движение жидкости и газов при определенных давлениях и температурах.
Горную породу можно рассматривать как естественную пористую среду с жестким минеральным каркасом. Количественно объем всех видов пор в породах оценивается коэффициентами соответствующих пористостей.
Так количественно общую пористость рассчитывают по соотношению плотной сухой породы и минеральных зерен:
где соответственно объем и плотность твердой фазы в породе; кп - ент общей пористости образцов горных пород (используется при лабораторном способе Мельчера путем взвешивания сухого парафинированного образца и того же раздробленного образца в пикнометре).
Объем пор, сообщающихся между собой в породе и с окружающей средой, оценивается коэффициентом открытой пористости: кпо.
к =у / у
ЛП.О. у К ' v С5
где: VK - объем пор, заполненных керосином. Открытая пористость определяется по методу Преображенского путем взвешивания сухих и насыщенных керосином образцов пород с последующим нахождением объема парафинированных образцов взвешиванием их в керосине.
Открытую пористость оценивают также и коэффициентом эффективной пористости кп.Эф.:
кп.эф. (Vк-Vв св) / Vc кп о.( 1 квн)>
где: квн - коэффициент водонасыщения, определяющий содержание связанной воды в единице объема пор; VB CB. - объем связанной воды.
Коэффициент эффективной пористости характеризует полезную емкость породы для нефти или газа. Представляет собой объем открытых пор за исключением объема, заполненного физически связанной и капиллярно- удержанной пластовой водой. От точности определения величины квн будет зависеть степень достоверности величины кП Эф. при геофизических исследованиях.
Коэффициент динамической пористости кп.д. определяют с целью установления той части объема породы при заданном градиенте давления, в которой может наблюдаться движение жидкости или газа:
кпд.-С’Уп.эф.-Ун.о.У'Ус,
где УПЭф. - объем эффективных пор: (VK-VB.CB.); VH.0. - объем пор, в которых остался керосин после его вытеснения из породы воздухом или азотом. Величина кп.д. зависит не только от свойств породы, но и от величины приложенного градиента давления и времени вытеснения керосина воздухом или азотом.
По численному значению коэффициенты пористости, определенные на одном образце, подчиняются следующей закономерности:
кп. ^ кп.о. ^ кп эф. ^ кпд ,
По происхождению поры делятся на первичные, сформировавшиеся в процессе образования горной породы, и вторичные, которые возникли после образования породы. Пример пород с первичными порами - пески, песчаники, глины (рис. 4.5,а,б) и вторичными - трещинные, трещиннокавернозные, доломиты (рис. 4.5,в,г).
Большинство физических свойств горных пород зависят от пористости, конфигурации или вида полостей. По форме первичные поры могут быть ромбоэдральными у хорошо отсортированных рыхлых и окатанных песков, тетраэдрическими у сильно уплотненных песков, щелевидными у глин, слюд, графита и других минералов с пластинчатой структурой, в виде каналов расширяющейся или сужающейся формы, в ненарушенных магматических породах - пузырчатыми.
Вторичные поры могут бать трещиноватыми (характерно для скальных метаморфических и магматических пород), в виде каверн (гипсы, карбонатные разности), каналов (лессы), ячеек (у известняковых и кремнистых туфов).
Рис. 4.5 - Примеры первичной (а, б) и вторичной (в, г) пористости
в породах:
а - высокопористый песчаник; б - глины; в - трещиноватая карбонатная порода; г - трещинно-кавернозная карбонатная порода.
Взаимодействие твердой поверхности с насыщающей поры пластовой водой положено в основу классификации пор по размерам:
Сверхкапиллярные - диаметр ёэф > 1 (И м (ёЭф. - эффективный диаметр - диаметр круга с площадью, равной площади изучаемой поры). Пластовая вода в этих порах может перемещаться под действием силы тяжести, т.к. сила адсорбции с твердой фазой и капиллярные силы сравнительно невелики. Сверхкапиллярные поры характерны для слабосцементированных галечни ков, гравия, крупно-, среднезернистых песков и др. В зонах выщелачивания карбонатных пород могут достигать больших размеров - каверны, карсты.
Капиллярные - диаметр ёЭф=10“7-10^ м. Вода в этих порах удерживается капиллярными силами, препятствующими движению воды под действием силы тяжести. Эти поры характерны для сцементированных песчаников, обломочных и кристаллических известняков, доломитов. Сверхкапил- лярные и капиллярные поры являются основной емкостью гранулярных коллекторов.
Субкапиллярные - диаметр ёЭф =2-( 10 9-ь 10 7) м. Здесь велика доля воды, на которую действуют адсорбционные силы со стороны поверхности зерен породы. Поры заполнены рыхло- и прочносвязанной водой (см. раздел 2), которая практически не способна перемещаться ни в поле силы тяжести, ни под влиянием сил поверхностного натяжения. Эти поры свойственны глинам и другим тонкозернистым породам.
Микропоры - ёЭф <2-10 9 м. Диаметр микропор соизмерим с толщиной слоя прочносвязанной воды. Пластовая вода при температурах, не превышающих 340 К практически неподвижна. Микропоры были установлены у некоторых природных цеолитов.
4.5.1. Основные методы определения пористости образцов горных пород
Характер распределения пор по размерам называют структурой порового пространства. Структуру порового пространства горной породы чаще всего изучают на шлифах с использованием оптических микроскопов или электронной микроскопии. Особенность методов заключается в том, что исследования распределения пор проводят на плоской поверхности. Поэтому для установления характера распределения пор и представления об изменении их в объеме необходимы многократные исследования на параллельных плоскостях. При изучении структуры пор трещиноватых и трещиновато-кавернозных пород наиболее широко применяется метод окрашенных шлифов, предложенный Е.И. Багринцевой, который базируется на использовании люминофоров, оборудования, которое генерирует ультрафиолетовые лучи, и приборов регистрации участков поверхности исследуемой породы, проявляющих флуоресцентное действие.
Наиболее эффективными косвенными методами исследования структуры порового пространства в объеме являются капиллярные. С помощью их производятся расчеты размеров, осуществляются измерения объема
пор, устанавливается характер их распределения в объеме, определяются объемная (кажущаяся) плотность и удельная поверхность. К капиллярным методам исследования относятся метод ртутной порометрии, капиллярной пропитки и полупроницаемой мембраны.
Метод ртутной порометрии основан на свойстве ртути под давлением проникать в пористый материал. Учитывая, что размер пор обратно пропорционален приложенному давлению, а также то, что ртуть практически не смачивает большинство минералов (краевой угол 0 обычно лежит в диапазоне от 110° до 160°, для кварца 0 =140°), диаметр и объем пор могут быть найдены из соотношения равновесного давления, при котором ртуть проникла в поры определенного диаметра, и объема проникшей ртути. Диаметр пор вычисляют в соответствии с уравнением Уашберна:
_ 4 у cos 0 ~ Р
где Р - давление, Па; у - поверхностное натяжение, Н/м; 0 - краевой угол; D - диаметр пор, м.
Диапазон изучаемых пор при работе этим методом расширяется до (0,001-1000)- КГ6 м. Таким образом, изучаются параметры сверхкапиллярных и субкапиллярных пор. В современных приборах все измерения с ртутным порометром автоматизированы, включая и вычисления характеристик распределения пор в породе.
К недостаткам этого метода можно отнести слабую изученность зависимости краевого угла 0 от влажности и литологии пород в целом, а также невозможность использования образцов для последующих исследований.
Измерение поверхности позволяет проверять степень химического взаимодействия между породой и газом или жидкостью и является основным фактором контроля во многих промышленных процессах. Значение удельной поверхности позволяет, например, контролировать сгораемость углей, степень растворяемости породы (минерала) в жидкости и др.
Метод полупроницаемой мембраны включает насыщение водой исследуемого образца горной породы, установку его на водонасыщенную искусственную мембрану с размером пор 210~6м и вытеснением воды азотом. Строят зависимость величины водонасыщенности образца от величины капиллярного давления. Эффективные диаметры пор находят путем вычислений, а по изменению водонасыщенности вычисляют относительное содержание этих пор в объеме исследуемого образца породы. Результаты вычислений представляют в виде графика распределения пор в образце по их размерам. Из условия абсолютной смачиваемости водой кварцевого капилляра краевой угол смачивания принимают равным нулю, а величину поверхностного натяжения принимают равной величине, соответствующей для границ раздела воды с воздухом при данной температуре. Недостатком этого метода является то, что длительность одного опыта при исследовании образца достигает 30 суток, в то время как метод ртутной порометрии занимает всего несколько часов.
Метод капиллярной пропитки состоит в смачивании люминесцирующей в УФ свете жидкостью, которая под воздействием капиллярных сил впитывается образцом породы. Изменение окраски верхнего торца образца под влиянием впитывающейся жидкости наблюдают с помощью автоматической фотометрической установки. Этот метод пока не имеет широкого распространения.
4.5.2. Пористость осадочных пород
Пористость осадочных пород изменяется в широких пределах и ее значение, например, для обломочных, карбонатных и глинистых пород определяется многими факторами: содержанием глинистых минералов, глубиной залегания, возрастом пород и температурой. Так для сланцев средняя пористость составляет 8%, известняков - 5-10%, песчаников - 15%. Сильная зависимость пористости наблюдается при увеличении глубины залегания горной породы. На рис. 4.6 показано изменение величины открытой пористости с глубиной для некоторых пород. Хорошо видно, что с увеличением глубины открытая пористость уменьшается. Установлено, что пористость уменьшается, главным образом в результате необратимых деформаций, в связи с чем изменения ее можно наблюдать, изучая керны пород, извлеченные с различных глубин.
Плотность породообразующих минералов с глубиной мало изменяется, а поэтому изменение объема породы может происходить только за счет уменьшения порового пространства. В осадочных пористых породах в течение длительного времени их существования на больших глубинах необратимые деформации подобны пластическим, при которых наблюдается релаксация касательных напряжений, и все главные нормальные напряжения оказываются равны межд< Наши рекомендации |