Исследование горных пород

Естественно, что такие исследования горных пород не являются достаточно точными, они дают предварительные, главным образом приближенные представления об их свойствах. При сочетании методов зондирования с другими видами геологических работ, результативность их, т.е. точность и достоверность, значительно повышаются.

Статическое и динамическое зондирование — это полевые экспресс - методы, для интерпретации результатов которых на предварительных стадиях изысканий их надо обязательно сочетать с разведочными работами — геофизическими и горно-буровыми, а на детальных — использовать в качестве дополнительных с целью повышения детальности изысканий в целом и решения специальных вопросов (например, при проектировании свайных фундаментов и др.). ГОСТ 20069—74 и 19912—74 и «Указания по зондированию горных пород для строительства» (СН 448-72) рекомендуют при инженерных изысканиях для конкретных зданий и сооружений зондирование производить в пределах их контуров или не более чем в 5 м от них. Для получения сопоставимых данных часть точек зондирования рекомендуется располагать на расстояниях не более 5 м от разведочных выработок, из которых производят отбор монолитов горных пород для лабораторных исследований и выполняют другие полевые исследования.

Практика показывает, что данные зондирования необходимо рассматривать совместно с данными, получаемыми при бурении скважин и проходке горных выработок. Этого требуют ГОСТ 20069—74 и 19912—74. Глубину зондирования определяют исходя из необходимости исследования определенной толщи горных пород как оснований зданий и сооружений.

Предельная глубина зондирования не должна превышать 20-и.

Область применения статического и динамического зондирования в зависимости от вида и физического состояния горных пород регламентируется данными, приведенными в табл.1. Таблица 1. Область применения статического и динамического зондирования по СН 448-72

Удельное сопротивление статическому зондированию конусом равно R уд = R кон / F к , где F к - площадь поперечного сечения конуса, см 2 . Удельное сопротивление — это сопротивление горных пород проникновению конуса, приходящееся на единицу его поперечного сечения.

Международными конгрессами по механике грунтов и фундаментостроению (IV в 1957 г . в Лондоне и V в 1961 г . в Париже) было рекомендовано использовать для статического зондирования конус диаметром 36 мм , площадью 10 см 2 , с углом при вершине 60°. Сопротивление горных пород трению по боковой поверхности зонда равно R тр = R общ – R кон Современные конструкции установок для статического зондирования позволяют измерять либо общее сопротивление горных пород и сопротивление их погружению конуса, либо сопротивление проникновению конуса и величину трения по боковой поверхности зонда. При динамическом зондировании горных пород основными показателями являются: а) показатель динамического зондирования N; б) глубина погружения зонда от определенного числа ударов стандартного молота S (это число ударов принято называть залогом); в) условное динамическое сопротивление горных пород R д , кгс/см 2 (по ГОСТ 19912-74 обозначается p д , т. е. не так, как оно обозначается международными индексами). Показателем динамического зондирования принято называть число ударов молота, необходимое для погружения зонда на определенную глубину. В нашей стране эта глубина принята равной 10 см . Отсюда показатель динамического зондирования равен N = 10n / S , где n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

Показатель динамического зондирования зависит не только от сопротивления, оказываемого горными породами проникновению зонда, но и от сил трения, развивающихся по боковой поверхности зонда при его погружении, и от увеличения его веса с глубиной.

Поэтому при обработке результатов испытаний вводят соответствующие поправки на боковое трение пород и на увеличение веса зонда. Эти поправки приводятся в методических руководствах.

Основным показателем свойств горных пород при динамическом зондировании считается условное динамическое сопротивление горных пород R д . Только этот показатель предлагается ГОСТ 19912—74 и «Указаниями по зондированию горных пород для строительства» (СН 448—72). Его вычисляют по формуле R д = KП 0 Фn / S , где K — коэффициент для учета потерь энергии при ударе, определяемый по специальной таблице; П 0 — коэффициент для учета влияния применяемого оборудования, определяемый по специальной таблице; Ф — коэффициент для учета трения штанг о горные породы, определяемый по данным двух испытаний, в одном из которых зондирование производится в процессе бурения; n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге. Для статического и динамического зондирования применяют разнообразные установки и станки.

Наиболее часто используют установки конструкции ГПИ Фундаментпроект марки С-979, БашНИИ-промстроя марки С-832 и ВСЕГИНГЕО марки СПК. Известны установки конструкции и других организаций.

Пористость горных пород Пористость горных пород, совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах.

Количественно П. г. п. выражается отношением объёма всех пор к общему объёму горных пород (в долях единицы или процентах). Поры в горных породах по величине принято делить на субкапиллярные (менее 0,2 мк ), капиллярные (0,2—100 мк ), сверхкапиллярные (более 100 мк ). По форме поры могут быть различного типа — пузырчатые, каналовидные , щелевидные, ветвистые и т.п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь определяют геометрию порового пространства пород.

Различают П. г. п. общую (или абсолютную, физическую, полную) — совокупность всех пор, заключённых в горных породах; открытую (насыщения) — объём связанных (сообщающихся) между собой пор; закрытую — совокупность замкнутых, взаимно не сообщающихся пор. В нефтяной геологии выделяют также эффективную П. г. п., т. е. совокупность пор, занятых нефтью, газом, и динамическую П. г. п. — объём пор, через которые при определённых давлении и температуре происходит движение насыщающих жидкостей или газов; она всегда меньше общей П. г. п.

Наиболее высокая П. г. п. свойственна почвам и рыхлым осадкам — пескам, глинам и др. (до 60—80% и более). Осадочные и вулканогенные горные породы (песчаники, известняки, лавы, туфы и др.) характеризуются большим диапазоном значений пористости (от 50 до 10% и менее). Магматические и метаморфические породы обладают, как правило, малой пористостью (0,1—3%). С возрастанием глубины залегания пород П. г. п. обычно уменьшается (особенно осадочных) и на больших глубинах может иметь очень малые значения. В лабораторных условиях П. г. п. определяется методами свободного, вакуумного (под вакуумом) и принудительного (под давлением) насыщения горных пород жидкостью, а также методами, основанными на расширении газа, и др. В полевых условиях для оценки величины П. г. п. используются различные виды каротажа скважин.

Результаты изучения П. г. п. используются для подсчёта запасов полезных ископаемых (например, нефти и газа), выборе технологии разработки полезных ископаемых и др.

Проницаемость пород и ее распределение Характер движения нефти или газа к забою добывающей скважины определяется двумя основными факторами: · физико-химическими свойствами этих углеводородов; · структурой порового пространства среды – коллектора, в которой они распространяются. Для описания течения углеводородов с учетом этих факторов, наряду с другими характеристиками, вводится понятие проницаемости горной породы, характеризующей ее способность пропускать жидкости и газы. Для оценки проницаемости пород обычно пользуются законом фильтрации Дарси , согласно которому скорость фильтрации (просачивания) жидкости в среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна ее динамической вязкости Перепишем эту формулу в скалярной форме для одномерной задачи. Для этого выделим образец породы длиной где Величина Совокупность результатов, приведенных в [1] для проницаемостей пород, приводятся в табл. 1. Здесь еще раз отметим, что данные, приведенные в этой таблице, выбраны в качестве объекта для анализа из-за важности рассматриваемой характеристики. В силу специфики представления материала, в [1] отсутствует ссылка на первоисточники этой таблицы. Не понятно также, являются ли эти результаты обобщением различных данных, полученных разными авторами, или же они относятся к конкретному месторождению. В последнем случае, общие рассуждения, которые приводятся ниже, могли бы представлять некоторый практический интерес.

Перейдем теперь к описанию характеристик, приведенных в табл. 1: i – номера интервалов, на которые разбивается весь наблюдаемый диапазон значений проницаемостей. Число таких интервалов в табл. 1 равно 10. N i – число пород, проницаемости которых лежат в i - том интервале. Общее число исследованных пород составляет p i – относительное число пород, проницаемости которых попадают в i - тый интервал: Таблица 1

i	Интервал проницаемостей мкм 2 )	N i	p i
1	0 – 0,2	4	0,004
2	0,2 – 0,4	126	0,126
3	0,4 – 0,6	230	0,230
4	0,6 – 0,8	260	0,260
5	0,8 – 1,0	130	0,130
6	1,0 – 1,2	120	0,120
7	1,2 – 1,4	50	0,050
8	1,4 – 1,6	30	0,030
9	1,6 – 1,8	30	0,030
10	1,8 - 2,0	20	0,020

Магматические и метаморфические породы не являются типичными коллекторами.

Нахождение в этих породах нефти и газа - это следствие миграции углеводородов в выветрелую часть породы, где в результате химических процессов выветривания, а также под воздействием тектонических процессов могли образоваться вторичные поры и трещины.

Нефтяные и газовые месторождения на земном шаре встречаются в разных районах, в границах различных геоструктурных элементов. Они известны как в геосинклинальных, так и в платформенных областях и предгорных прогибах.

Скопления нефти и газа установлены в отложениях всех возрастов, начиная от кембрия и кончая верхним плиоценом. Кроме того, известны скопления нефти и газа как в более древних докембрийских, так и в более молодых четвертичных отложениях.

Наибольшее количество залежей в разрезе осадочного чехла на территории бывшего СССР приходится на отложения каменноугольного (29 %), девонского (19 %) и неогенового (18 %) возраста. По разным оценкам запасы нефти распределяются в коллекторах следующим образом: в песках и песчаниках - от 60 до 80 %; в известняках и доломитах - от 20 до 40 %; в трещиноватых глинистых сланцах, выветрелых метаморфических и изверженных породах - около 1 %. В странах Ближнего и Среднего Востока разрабатываются главным образом карбонатные коллекторы мезозойского возраста. На территории бывшего Советского Союза более 70 % нефтяных и газовых залежей приурочены к терригенным породам-коллекторам.

Основные признаки пород-коллекторов К основным признакам, характеризующим качество коллектора, относятся пористость, проницаемость, плотность, насыщение пор флюидами ( водо -, нефте - и газонасыщенность ), смачиваемость , пьезопроводность , упругие силы пласта.

Совокупность этих признаков, выраженных количественно, определяет коллекторские свойства породы.

Пористость - совокупность всех пор независимо от их формы, размера, связи друг с другом.

Понятие пористости соответствует полной пористости породы и численно выражается через коэффициент пористости: К п = V пор / V породы 100 %. Открытая пористость - совокупность сообщающихся между собой пор, численно соответствующая отношению объема сообщающихся пор к объему породы.

Эффективная пористость - совокупность пор, через которые может осуществляться миграция данного флюида. Она зависит от количественного соотношения между флюидами, физических свойств данного флюида, самой породы. По А. А. Ханину (1969), эффективная пористость - объем поровой системы, способной вместить нефть и газ с учетом остаточной водонасыщенности . Наиболее высокие значения характерны для полной пористости, затем открытой и минимальные для эффективной пористости.

Полная пористость может быть открытой в песках и слабо уплотненных песчаниках. С увеличением глубины залегания открытая пористость снижается интенсивнее, чем полная.

Величина полной пористости колеблется от долей процента до десятков процентов. По генезису поры могут быть первичными и вторичными.

Первичные поры между обломочными зернами называются межзерновыми , внутри органических остатков - внутриформенными . Вторичные поры - трещины и каверны.

Размеры порового пространства - от долей микрометров до десятков метров. В обломочных породах - песчаных и алевритовых - размер пор обычно меньше 1 мм . По размеру выделяются поры сверхкапиллярные > 0,1 мм ; капиллярные 0,0002- 0,1 мм ; субкапиллярные 0,0002 мм ; ультракапиллярные Размеры и конфигурация внутриформенной пористости определяется морфологическими особенностями фоссилизированных органических остатков.

Каверны - поры, образованные в результате растворения составных частей хемогенных или биогенных пород или разложения соединений, неустойчивых в определенных термобарических обстановках.

Каверны по размеру бывают от долей миллиметров до нескольких километров и разделяются на мелкие - 0,1- 10 мм ; крупные ( микрополости ) - 10- 100 мм и пещеристые полости - > 100 мм . Склонность породы к растрескиванию характеризуется ее пластичностью.

Пластичность - способность твердого тела под действием механических напряжений изменять свою форму без нарушения связей между составляющими частями.

Коэффициент пластичности ( К пл ) - отношение всей работы, затраченной на разрушение образца, к работе, затраченной на пластическую деформацию.

Коэффициент пластичности меняется от 1 до бесконечности ( ). По степени пластичности выделяются три группы пород (табл. 1). Таблица 1. Группы пород по степени пластичности

Практический интерес представляют только открытые трещины, по которым может осуществляться миграция УВ. Обычно трещинная пористость составляет 2-3 %, иногда до 6 %. При характеристике трещин различают густоту, плотность и раскрытость трещин.

Густота трещин - количество трещин на 1 м длины в направлении, перпендикулярном простиранию трещин.

Плотность трещин - густота трещин на 1 м 2 площади. Если в пласте одна система трещин, то величина плотности соответствует густоте.

Раскрытость трещин - расстояние между стенками трещин.

Трещинные поры разделяются по степени раскрытости . По К. И. Багринцевой (1977), трещины подразделяются на очень узкие (0,001- 0,01 мм ), узкие (0,01- 0,05 мм ), широкие (0,05- 0,1 мм ), очень широкие (0,1- 0,5 мм ) и макротрещины (> 0,5 мм ). Е. М. Смехов (1974) предлагал различать микротрещины ( 0,1 мм ) и макротрещины (> 0,1 мм ). Особую значимость приобретает характеристика трещин в коллекторах сложного типа, которым свойственно наличие нескольких видов пористости. В табл. 2 приводится генетическая классификация трещин ВНИГРИ (Методические рекомендации..., 1989). Проницаемость - способность горных пород пропускать сквозь себя жидкость или газ. Пути миграции флюидов - поры, каверны, соединяющиеся каналами, трещины. Чем крупнее пустоты, тем выше проницаемость. Для оценки проницаемости обычно используется линейный закон фильтрации Дарси , согласно которому скорость фильтрации жидкости в пористой среде пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости жидкости. Закон Дарси применим при условии фильтрации однородной жидкости, при отсутствии адсорбции и других взаимодействий между флюидом и горной породой.

Величина проницаемости выражается через коэффициент проницаемости ( К пр ): К пр = Q m L / D p F , где Q - объем расхода жидкости в единицу времени; D р - перепад давления; L - длина пористой среды; F - площадь поперечного сечения элемента пласта; m - вязкость жидкости.

Выразив величины, входящие в приведенное выше уравнение, в системе единиц СИ, получим: Q = м 3 / с; D р = Н/ м 2 ; L = м; F = м 2 ; m = Н с / м 2 ; К пр = м 2 . Единица проницаемости в системе СИ соответствует расходу жидкости 1м 3 /с при фильтрации ее через пористый образец горной породы длиной 1м, площадью поперечного сечения 1 м 2 при вязкости жидкости н с /м 2 при перепаде давления 1н/м 2 . Практической единицей измерения проницаемости является дарси . 1 дарси - проницаемость пористой системы, через которую фильтруется жидкость с вязкостью 1 сантипуаз ( сП ), полностью насыщающая пустоты среды, со скоростью 1 см 3 /с при градиенте давления 1 атм ( 760 мм ) и площади пористой среды 1 см 2 . 1 дарси = 0,981 10 - 12 м2 . Различают несколько видов проницаемости.

Абсолютная проницаемость - это проницаемость горной породы применительно к однородному флюиду, не вступающему с ней во взаимодействие, при условии полного заполнения флюидом пор среды.

Абсолютная проницаемость измеряется в сухой породе при пропускании через последнюю сухого инертного газа (азота, гелия). В природе не встречаются породы, не заполненные флюидами (различными газами, жидкими углеводородами, водой и т.д.). Обычно поровое пространство содержит в различных количествах воду, газ и нефть (в залежах). Каждый из флюидов оказывает воздействие на фильтрацию других.

Поэтому редко можно говорить об абсолютной проницаемости в природных условиях.

Эффективная (фазовая) проницаемость - проницаемость горной породы для данного жидкого (или газообразного) флюида при наличии в поровом пространстве газов (или жидкостей). Этот вид проницаемости зависит не только от морфологии пустотного пространства и его размеров, но и от количественных соотношений между флюидами.

Относительная проницаемость - отношение эффективной проницаемости к абсолютной.

Относительная проницаемость породы для любого флюида возрастает с увеличением ее насыщенности этим флюидом. Все породы в той или иной мере проницаемы. Все породы по своим свойствам являются анизотропными, следовательно, и проницаемость в пласте по разным направлениям будет различной. В обломочных породах К пр по наслоению выше, чем в направлении, перпендикулярном наслоению. В трещиноватых породах по направлению трещин проницаемость может быть очень высокой, а вкрест простиранию трещин может практически отсутствовать.

Максимальны значения проницаемости для трещинных пород.

Наиболее распространенное значение К пр для промышленно продуктивных пластов от 1·10 -15 до 1·10 - 12 м2 . Проницаемость более 1·10 - 12 м2 является очень высокой, характерна для песков, песчаников до глубин 1,5- 2 км и трещинных карбонатных пород.

Плотность породы - отношение массы породы (г) к ее объему (см 3 ). Плотность зависит от плотности твердой, жидкой и газообразной фаз, структурно-текстурных признаков породы, а также от пористости.

Различные литологические типы пород с глубиной уплотняются по-разному. К d - коэффициент уплотнения породы, представляющий собой отношение плотности породы ( d п ) к плотности твердой фазы или минералогической плотности ( d т ). Коэффициент уплотнения - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз плотность породы меньше плотности ее твердой фазы. По мере уплотнения d п ®d т , а К d ®1. Коэффициент уплотнения связан с величиной полной пористости соотношением К s = 1-К п . Глинистые породы достигают К d = 0,80-0,85 к глубине 1,5- 2 км , затем темп уплотнения понижается.

Песчаные и алевритовые породы достигают К d = 0,90-0,95 к глубинам 3,5- 5 км . Быстро уплотняются хемогенные известняки, для которых уже на глубине 0,5- 1 км К d = 0,95-0,97. Нефтегазоносная свита oil-and-gas bearing set of rocks , oil-and-gas - Мощная толща переслаивающихся пород регионального или ареального распространения, содержащая нефтяные и (или) газовые пласты. Свита включает коллекторы, флюидоупоры и часто нефтегазоматеринские породы. Свита может соответствовать ярусу, отделу, системе или охватывать части этих стратиграфических подразделений.

Заключение В настоящем пособии кратко рассматривается лишь ограниченный круг вопросов, связанный с породами-коллекторами нефти и газа - основные свойства, петрографические признаки, некоторые классификации.

Большое количество последних свидетельствует о разностороннем подходе к изучению коллекторов (петрографическом, генетическом, емкостно-фильтрационном и др.) и сложности самого объекта исследований.

Следует признать, что до сих пор не разработана систематика пород-коллекторов, основанная на анализе зависимостей между структурно-текстурными и фильтрационно-емкостными параметрами, не всегда удается достаточно надежно увязывать характер пористого пространства с определенными геологическими процессами и стадиями литогенеза.