Пористость и влагоемкость различных типов пород

     Структура емкостного пространства изучаемой  породы характеризуется распределением пор по размерам. Существуют прямые и косвенные методы изучения структуры емкостного пространства. К прямым методам относятся оптические, например, исследование микрофотографий шлифов (А. Ф. Богомолова, Н. А. Орлова, 1961 г.) и с помощью электронной микроскопии, к косвенным — капиллярные методы. 

     Оптические  методы характеризуют распределение  пор на плоскости, и требуются многократные исследования на параллельных плоскостях для представления об изменении пор в объеме. Метод окрашенных шлифов наиболее широко применяется при изучении структуры пор трещиноватых и трещиновато-кавернозных пород на больших шлифах (К. И. Багринцева, 1975 г.).

Капиллярные методы характеризуют структуру  емкостного пространства в объеме, но они, как правило, не могут быть использованы для изучения трещиновато-кавернозных пород.

Известны  три разновидности капиллярных  методов: 1) полупроницаемой мембраны; 2) ртутной порометрии; 3) капиллярной пропитки. Эти методы основаны на применении уравнения Лапласа для капиллярного давления в круглом цилиндрическом капилляре для оценки эффективного диаметра пор d_эф, м: 

d_эф=4σ cosθ/p_к 
 
 
 
 
 

 

Использование эффективной пористости для оптимизации  разработки месторождения на поздней ее стадии (по Р.Х.Муслимову и др.) 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     В методе полупроницаемой  мембраны из водонасыщенного образца, установленного на водонасыщенной искусственной мембране размером пор 2 • 10^-6 м, азотом вытесняют воду и строят зависимость величины водонасыщенности образца от величины капиллярного давления. По формуле вычисляют эффективные диаметры пор, соответствующие каждому р_к, а по изменению водонасыщенности — относительное содержание этих пор в объеме породы. Строят график распределения пор в образце по их размерам.

Большинство исследователей принимают θ=0 из условий абсолютной смачиваемости водой кварцевого капилляра и а — для границы раздела воды с воздухом при данной температуре. Длительность опыта при исследовании одного образца достигает 30 сут.

     Размер  пор полупроницаемой мембраны ограничивает нижний предел изучения пор. Радиусы пор вычисляют в диапазоне (2/100) * 10^-6м.

Пленку смачивающей  жидкости (воды) на поверхности пор  породы трудно учесть в расчетах, что снижает точность определения распределения пор.

     В методе ртутной порометрии в вакуумированный образец нагнетают ртуть. Чем меньше диаметр пор, тем большее давление нужно приложить для преодоления капиллярных сил. Строят зависимость рк от насыщенности образца ртутью, затем — кривую распределения пор.

Краевой угол θ обычно принимают равным 140⁰ из условий несмачивания ртути кварцевого капилляра, а σ — для границы раздела ртуть—воздух. На опыт с одним образцом расходуется всего несколько часов, а диапазон изучаемых пор при работе с этим методом расширяется до (0,01/100) * 10^-6м.

К недостаткам метода можно отнести слабую изученность зависимости θ от влажности и литологии пород и невозможность использовать образец для повторных или последующих исследований.

На рисунке изображены фотографии поверхности трех типов пород, выполненные с помощью электронного микроскопа, и гистограммы распределения пор в этих породах, полученные на ртутном поромере. Хорошо видна разница в структурах порового пространства.

В современных  приборах все измерения с ртутным  поромером автоматизированы, включая и вычисления гистограмм распределения пор в породе.

В методе капиллярной  пропитки, или люминесцентно-фотометрическом методе (Л. М. Марморштейн, 1975 г.), смачивающая люминесцирующая в ультрафиолетовом свете жидкость под воздействием капиллярных сил впитывается образцом. С помощью автоматической фотометрической установки наблюдают за изменением окраски верхнего торца образца под влиянием впитывающейся жидкости. 

а — песчаник кварцевый крупнозернистый; поры заполнены вторичным каолином.

 

Пористость  минералов

Твердая фаза горных пород состоит из породообразующих минералов.

Кристаллы или обломки минералов, слагающих  горную породу, имеют, как правило, весьма низкую первичную общую пористость. Эта пористость обусловлена включениями  газов или другими особенностями условий кристаллизации минералов. Открытая первичная пористость у большинства минералов отсутствует. Поэтому изменение объема и состава минерального скелета горных пород может быть связано только с процессом эрозии или эпигенетическими процессами в литогенезе (растворением, осаждением, перекристаллизацией и т.п.). Пористость некоторых минералов в процессе эпигенеза может значительно возрасти, например, при разрушении зерен полевых шпатов, переходящих в глинистые минералы.

Коэффициент общей  пористости к_п некоторых минералов (по Б. П. Беликову, К. С. Александрову и Т. В. Рыжовой),%: 

 

Таким образом, первичная пористость минералов  несет мало информации о породе и слабо изучена. Существенно большее практическое значение в геологии и геофизике имеет плотность породообразующих минералов, которая отражает их элементный состав. 

Пористость осадочных пород

     Осадочные породы, по М. С. Швецову, можно подразделить на три большие группы: 1) обломочные; 2) хемогенные и биогенные; 3) глинистые.

В природных  условиях часто порода состоит из нескольких составных частей, тогда основанием для отнесения ее к той или иной группе служат количественные соотношения между этими частями. Например, к обломочным относятся породы, содержащие более 50% обломочного материала.

     К обломочным относят грубообломочные, песчаные, алевритовые и эффузивно-осадочные  породы; к группе хемогенных и биогенных  пород — алюминистые, железистые, марганцовистые, кремнистые фосфатные, карбонатные, сульфатные, соляные, каустобиолиты; группа глинистых пород подразделяются на гидрослюдистые, као-линитовые, монтмориллонитовые, хлоритовые. Наибольшую роль при формировании осадочных толщ играют обломочные, карбонатные, глинистые, соляные и сульфатные породы. Породы последних двух типов в естественном залегании пластичны, их пористость весьма мала, составляя доли процента.

Пористость  обломочных, карбонатных и глинистых  пород изменяется в широких пределах. Ее конкретное значение для каждой породы определяется многими факторами. Однако наиболее значимыми из них являются: максимальная глубина погружения, содержание глинистых минералов, интенсивность вторичных процессов, температура и возраст пород. 

Необратимые изменения  пористости с глубиной

     Коэффициенты  общей пористости осадочных пород, как правило, больше коэффициентов открытой пористости тех же пород, причем в чистых высокопористых породах эта разница очень мала, в уплотненных плохо отсортированных или заглинизированных алевритовых породах и в глинистых породах она велика и в изучаемой коллекции достигает 4% в песчано-глинистых и 2% в плотных глинистых известняках. Определение открытой пористости методически проще и при массовых определениях производится чаще. Видно значительное уменьшение открытой пористости с глубиной для всех рассмотренных типов пород. Рассмотрим механизм этого уплотнения.

     При погружении осадочных пород на большие  глубины в процессе формирования осадочных бассейнов медленно растут воздействующие на породу давления и температуры. При этом уменьшается пористость пород, главным образом в результате необратимых деформаций. Эти изменения пористости можно наблюдать по данным изучения кернов пород, извлеченных с различных глубин.

При изменении  эффективного напряжения происходит объемная деформация сцементированного каркаса (скелета) породы, несущего на себе нагрузку вышележащей толщи. Под действием изменившегося пластового давления дополнительно возникает деформация минералов, слагающих каркас породы, а при изменении температуры интенсифицируются вторичные процессы, изменяются механические свойства минералов и происходит их тепловое расширение (или сжатие).

     Для определения среднего нормального  напряжения в каком-то элементарном объеме пласта необходимо знать три главных нормальных напряжения в этом объеме. Величины главных нормальных напряжений зависят в общем случае от веса вышележащих пород, геометрии и упругих свойств деформируемого пласта, а также конкретной тектонической обстановки, влияющей на напряженное состояние породы в условиях естественного залегания. В связи с разнообразием геологических условий аналитическое изучение влияния геометрических факторов и тектонических напряжений на деформацию пластов — сложная задача, поэтому для определения среднего нормального напряжения обычно пользуются более простыми схемами деформаций.

Если  принять, что гравитационные силы, создаваемые  весом вышележащих осадков, являются основными и определяют напряженное состояние бесконечных горизонтальных пластов на различных глубинах залегания, то вследствие осевой симметрии горизонтальные главные нормальные напряжения по оси хиу равны между собой и составляют часть от вертикального главного нормального напряжения:

Р_х=р_у=Кр_z

где К = v(l -v) —  коэффициент бокового распора; v —  коэффициент Пуассона изучаемой  породы. 

В этом случае среднее нормальное напряжение

Однако  в осадочных пористых породах, подвергающихся воздействию напряжений, в течение длительного геологического времени на больших глубинах необратимые деформации подобны пластическим, при которых наблюдается релаксация касательных напряжений и все главные нормальные напряжения оказываются равны между собой. В этих условиях К—>1 и уравнение можно записать в форме уравнения геостатики: 

 

Пористость  метаморфических  и магматических пород

     Пористость  осадочных пород под влиянием увеличивающегося горного давления и температуры уменьшается, и  они превращаются в метаморфические. Резкой границы между осадочными и метаморфическими породами нет. Однако, кварцевый песок, являющийся первичным осадком, по мере уплотнения превращается в осадочную породу (песчаник), а затем в метаморфическую породу — кварцит. Первичный осадок — глинистый ил, превращается в осадочные породы — глину и аргиллит, а затем в метаморфическую — глинистый сланец. Основным признаком метаморфизации являются: низкая пористость, для глинистых пород — потеря межслоевой и значительной части кристаллизационной воды, сланцеватость. Метаморфические породы обычно входят в состав фундамента.

Большинство метаморфических пород (кварциты, сланцы, мрамор и другие) обладают низкими значениями первичной пористости.

     При выходе этих пород на поверхность  в некоторых из них могут развиваться  процессы с образованием вторичной  пористости (кора выветривания). В этом случае общая пористость увеличивается. Особенно сильно может увеличиваться пористость метаморфических пород, содержащих карбонатные минералы. Выветривание этих пород и последующее воздействие на них фильтрующимися гидротермальными водами создают условия для образования высокопористых разностей метаморфических пород. Известны промышленные скопления нефти в таких породах. Метаморфические породы могут приобретать трещиноватость под влиянием тектонических движений. Оба эти процесса ведут к активизации минерального массопереноса в толще метаморфических пород с образованием новых минералов и мест скоплений полезных ископаемых. Все эти процессы наблюдаются в толще метаморфических и магматических пород, вскрытых Кольской сверхглубокой скважиной.