Как известно, кремний по распространенности является вторым после кислорода элементом. Кислород составляет половину земной коры, а кремний четверть. Однако в силу устойчивости главного минерала кремнезема оксида кремния (кварца) в приповерхностных условиях земной коры, гигантская масса кремнезема в осадочных породах сосредоточена в кварцсодержащих обломочных породах. Температура плавления кварца 1700º – почти в два раза выше, чем температура лавы, извергающейся из вулкана. Тем не менее, кварц, чаще его микрокристаллическая разность халцедон, кремень образуются при низких температурах в осадочных породах, формируя конкреции среди карбонатов или пропитывая глинисто-сланцевые породы. Широко известны яшмы, состоящие из халцедона, которые окрашены красным трехвалентным и зеленым двухвалентным железом. Яшмы обычно находят в зонах древнего вулканизма.
Считается, что они образовались в зонах первичного вулканизма, первичноопаловые, но позже, на стадиях эпигенеза и метаморфизма, потеряли воду и опал перешел в халцедон.
Конкреции осадочных кремней, вероятно, первично опаловые, но на стадии диагенеза аморфный опал раскристаллизовался в халцедон, потерял воду. Нередко в середине конкреций образуются при этом пустоты, в которых вырастают кристаллы чистого кварца – горного хрусталя и даже аметиста, что наблюдается в каменноугольных отложениях Подмосковья.
Кремнезем в зоне осадконакопления находится в коллоидной фазе и отлагается в виде опала на обширных территориях в холодных морских бассейнах. В то же время опал как примесь отлагается и в карбонатных породах теплых бассейнов. Опаловые породы в значительной степени биогенны.
Трепел сложен почти чистым опалом, поэтому белый, мелоподобный. Он очень пористый (свыше 50%), поэтому плотность его иногда ниже 1 г/см 3. Он легко впитывает жидкость, но вследствие ничтожных размеров капилляров ее обратно не отдает, он непроницаем и коллектором быть не может. Опал в трепеле формирует мелкие – до тысячных долей миллиметра – округлые глобулы, что характерно для осаждающихся коллоидов.
Опока тоже состоит из опала, но содержит примеси обломочного и глинистого материала (до 50%). Нередко в них присутствуют глауконит и биогенные остатки. Существуют породы, переходные от опок к песчаникам и алевролитам с опаловым цементом.
Диатомит состоит из опала, из которого сложены остатки планктонных диатомовых водорослей. В них присутствуют примеси глины и органического вещества, поэтому диатомиты иногда бывают серого и черного цвета.
Радиолярит состоит из скелетов радиолярий - сферических образований менее 0,1 мм с ажурными стенками.
Спонголит содержит большое количество трубчатых иголок, остатков скелетов губок.
Как и карбонатные, опаловые породы нередко носят названия образующих их остатков организмов. Однако в отличие от углеродной чисто кремнистая жизнь не сформировалась, но кремнистые соединения в сочетании с органическими присутствуют в ряде классов и типов организмов.
Фосфатные породы
Фосфор – один из важнейших биогенных элементов. С другой стороны, фосфоросодержащий минерал апатит постоянно присутствует в виде акцессорного минерала в большинстве магматических пород. Биосфере постоянно не хватает фосфора, большая часть которого содержится в живых организмах. В литосфере фосфор встречается только в солях кальция фосфорной кислоты и образует минералы каллофанит, гидроксил апатит и фторапатит. В живом веществе апатит вместе с кальцитом формирует, в частности, кости.
В общем виде это один минерал – апатит, который в природе встречается в разнообразных непохожих формах и название его от апатос – обманчивый.
Разнообразные осадочные фосфориты всегда связаны с жизнью, они биогенны. Поэтому они обычно темные, даже черные; из-за большого содержания углерода в них присутствуют минералы другого биогенного элемента серы – пирит и халькапирит. Из-за этого фосфориты обычно пахнут сероводородом. Фосфориты образуют пластовые тела, желваковые фосфориты и конкреционно-лучистые фосфориты. Многие пластовые фосфориты образуются на морском шельфе, особенно богатом фауной и флорой, остатки их концентрируются на глубинах 350 тыс. м. В случае, если эти холодные донные воды перемещаются в теплые прибрежные зоны, растворимость СО2 в воде падает и из нее выпадают кальцит и сульфаты. Позже, в стадии диагенеза, фосфорит концентрируется в желваки и конкреции.
Поскольку уран также осаждается в резко восстановительной обстановке в присутствии углерода, то в фосфоритах его количество повышено, а некоторые фосфоритовые месторождения разрабатывают не на фосфорные удобрения, а на уран.
Глиноземистые породы
Алюминий – третий по распространению в земной коре после кислорода и кремния элемент. Как и кремний, он формирует вместе с кислородом одно из самых устойчивых образований минералов – алюмокислородные тетраэдры. Составляя в земной коре более 15%, он, тем не менее, очень редко образует богатые алюминием концентрации. Чистый алюминий получили в конце позапрошлого века и тогда из него чеканили особо торжественные медали, а во время Первой мировой войны делали кольца.
Большая часть алюминия в земной коре содержится в полевых шпатах магматических пород и в глинистых минералах пород осадочных. Если концентрация алюминия в породе превышает 28%, то она считается богатой рудой на алюминий. Это моногидраты диаспор, бемит и тригидрат гиббсит (гидраргилит). Они образуют осадочные породы бокситы и их элювиальный аналог латериты. Как уже говорилось, связи алюминия в полевых шпатах и глинах очень сильны, и руды глинозема образуются в специфических условиях, когда разрываются эти связи. Такие условия возникают в тропическом гумидном климате, где полностью разрушаются все минералы, выносятся подвижные компоненты, подвижным оказывается даже кремний в форме опала, и в латеритных корах выветривания остается в основном малоподвижный алюминий, окрашенный бурым трехвалентным железом.
В экваториальном поясе образуются красноземы. Латеритные красноземы древних этапов образуют почву Северной Африки и юга Европы, формируя, например, характерный ландшафт Испании. Гидроокислы алюминия могут выноситься из латеритной зоны в виде коллоидов, но тогда они отлагаются в узкой прибрежной зоне. Другой путь образования бокситов связан с вулканами, когда образуются источники вод, насыщенных серной кислотой. Магматические породы, которые разрушает эта серная кислота, сходным образом в условиях гумидного выветривания также дают коллоиды алюминия, которые также отлагаются в прибрежным зонах. Известен парагенез палеовулканов и невдалеке от месторождений боксита.
Железистые породы
Железо – четвертый по распространенности элемент земной коры. Железистыми осадочными породами считают те, где его присутствует более 10%, а рудами – более 30%. В земной коре железо присутствует в трех формах: трехвалентный – окись бурого цвета, двухвалентный – закись зеленого цвета, карбонат железа и, как редкость, металлическое железо.
Основные минералы - оксиды железа магнетит, гиматит и лимонит. Минералы двухвалентного железа – сидерит, пирит, шамозит. Основные железные руды – бурые железняки – смесь гидроокислов железа – гетита и гидрогетита (в честь великого поэта Гете). Они образуются в континентальных (озерные и болотные) условиях. Живущие на дне этих бассейнов специфические бактерии поглощают из воды растворимое двухвалентное железо, а при окислении его получают выделяющееся при этом тепло (энергию), как и мы свою энергию получаем при окислении углерода, переводя его в углекислый газ. Продукты жизнедеятельности бактерий – гидроокислы трехвалентного железа – нерастворимы и выпадают в осадок, поэтому железистые осадочные руды биогенного происхождения на стадии эпигенеза – гидроокислы железа – теряют воду и переходят в гематит, а в зоне метаморфизма трансформируются в магнетит, который, переслаиваясь с кварцитом, образует железистые кварциты – джеспилиты, представляющие собой тонкое чередование прослоек кварцита и магнетита.
Сидерит - карбонат железа. Образует конкреции в черных углистых сланцах, т. к. сидерит образуется в восстановительных условиях в присутствии избытка органического материала, то он является признаком нефтепродуцирующих пород, в частности, на основании присутствия сидерита предсказана продуктивность Девонских отложений Волго-Уральской области. В рудах содержится от 16 до 72% железа.
3.9. Каустобиолиты
| Каустобиолиты – погребенные лучи солнца |
| В.И.Вернадский |
Среди осадочных пород особое место занимают каустобиолиты - горючие ископаемые, возникшие в результате преобразования органического вещества в земной коре.
Каустобиолиты разделяют по исходному ископаемому веществу, (растения, животные), по условиям (окислительные или восстановительные) и степени преобразования исходного вещества (табл.16).
Таблица 20
Каустобиолиты
| Условия преобразования | |||||
| Окислительные | Восстановительные | ||||
| Исходное вещество | |||||
|
| Высшие растения (мох) | Низшие организмы (ил, сапропель) | Низшие организмы (ил, сапропель) | Содержание углерода | |
| Торфы | Сапропели | ||||
Нефти
Мальты, асфальты
Керит
Антрацит
Антраксолиты,
шунгиты
Графит
При преобразовании исходного органического вещества в окислительных условиях водород в исходном веществе сгорает, и в результате получаются породы угольного ряда. При преобразовании исходного вещества при недостатке кислорода водород сохраняется, в результате получаются углеводороды битумного (нефтяного) ряда. По мере преобразования исходное вещество освобождается от кислорода, водорода, серы, других примесей, относительное количество углерода в нем возрастает, и оба ряда каустобиолитов сближаются, образуя в предельном случае чистый углерод – графит. В любой момент в процессе метаморфизма каустобиолиты могут оказаться в окислительных условиях, в результате чего получаются озокериты, элькериты, оксикериты, выветрелые угли и т.д.
Органическое вещество горючих ископаемых состоит из огромного числа различных молекул. Для гетеромолекулярных веществ характерно непостоянство свойств, фазовые превращения в них происходят постепенно, причем с возрастанием величины молекул их подвижность (летучесть, растворимость) уменьшается.
Самым главным из всех каустобиолитов для нефтяников являются жидкие каустобиолиты - нефти и битумы. Хотя химики уже могут получать их в лаборатории, на их образование в природе еще не выработано единой, всеми признаваемой точки зрения. Подробнее геология нефти и газа изучается в специальном курсе «Геология нефти и газа».
Глава 4
Коллекторские свойства горных пород
Важнейшим свойством горных пород является их способность вмещать флюиды, пропускать их через себя, или, наоборот – быть непроницаемыми. Эти свойства обусловлены пористостью и проницаемостью пород.
4.1. Пористость
Земные недра в толще осадочных пород содержат три фазы : твердую (минералы), жидкую (вода или нефть) и газообразную. То, что занимают жидкая и газообразная фазы, является пористостью. То есть пористость – это объем порового пространства, который оценивается отношением объема пор к объему горной породы. Выраженная в процентах эта величина называется коэффициентом пористости. Пористость чистого стекла – 0%, пористость гранита от 1 до 3 % , пористость песчаников 10–20 и не более 33 % , пористость хлеба 50–70%, пористость пуховой подушки до 85%, то же для пустой бутылки, считая за пору ее полезный объем. В нефтегазовой геологии обычно различают три вида пористости. Общая пористость характеризует все виды пор, в том числе и самые мелкие, поэтому общая пористость сухих глин, как правило, выше пористости песчаников.
Открытая пористость характеризует сообщающиеся поры, которые могут поглощать жидкость или газ; открытая пористость соответствует общей у пористых песков, меньше у песчаников на 10 – 30%, у глин на 50% и более, у каменной соли она отсутствует.
Эффективная пористость характеризует совокупность пор, через которые происходит миграция флюида т.е. это те поры , в которые он может не только проникать, но и быть извлеченным. Таким образом это объем пор с учетом остаточной воды. Поэтому эффективная пористость для воды, нефти и газа различна, более того она различна для их смеси в разных соотношениях. Пористость сухих образцов колеблется в широких пределах, но достаточно определенна для каждого типа пород.
Пористость, в которой каналы пор велики настолько (> 0,.2 мм) что флюиды могут относительно свободно проходить сквозь них и сравнительно легко (экономически рентабельно) извлекаться, называется эффективной. Общая пористость больше, чем открытая, а открытая больше, чем эффективная. Строение порового пространства определяется размерами, формой и пространственными взаимоотношениями пор. По размерам поры классифицируются по разным признакам (табл. 21).
Таблица 21.
Размеры и свойства пор.
| Диаметр пор | Раскрытость трещин | Свойства флюидов | |
| Мегапоры (полости), от сантиметров до кубометров | Сверхкапиллярные > 0,25 мм | Нефть и вода движутся в соответствии с законами гравитации | |
| Макропоры >0,1 мм | |||
| Микро–поры <0,1 мм | Капиллярные– 0,1 мм | Капиллярные 0,25–0,001 мм | Действуют преимущественно капиллярные силы |
| Субкапиллярные < 0,002 мм | Субкапиллярные <0,001 мм | Движение флюида практически невозможно | |
Пористость может быть в горной породе изначально, тогда она называется первичной, а может появиться в процессе существования горной породы – тогда она называется вторичной, например, при растворении горной породы или ее перекристаллизации. Кроме того, пористость бывает гранулярная (или межзерновая) – в терригенных породах, каверновая встречается в карбонатных породах и трещинная – в любых по генезису породах. Гранулярная пористость зависит от окатанности, сортированности, формы и способа укладки зерен, а также от типа и состава цемента. Коэффициент пористости может достигать 40%, но обычно он превышает 20. Очень большую, но неравномерную пористость имеют органогенные известняки. Равномерно пористы хорошо окатанные и слабо сцементированные терригенные породы. Характерные значения пористости для различных горных пород приведены в табл. 22.
Таблица 22
Общая пористость осадочных горных пород, %
| Порода | Пределы колебаний | Наиболее вероятная |
| Песок | 4–55 | 20–35 |
| Песчаник | 0–30 | 5–25 |
| Алевролиты | 1–40 | 3–25 |
| Ил | 2–90 | 50–0 |
| Глина | 0–75 | 20–50 |
| Известняки | 0–35 | 2–15 |
| Мел | 40–55 | 40–50 |
| Доломиты | 2–35 | 3–20 |
По структуре пористость разделяют на межгранулярную (между обломками), трещинную и кавернозную. Трещинная пористость не превышает 3–5 %, но в формировании проницаемости роль трещин весьма велика. Кавернозная пористость характерна для растворимых пород карбонатов, сульфатов и хлоридов. Размеры каверн от долей миллиметров до десятков метров – например, карстовые пещеры. Кавернозная пористость достигает десятков процентов. По происхождению выделяют поры первичные, возникшие на стадии формирования породы (седиментез, диагенез), и вторичные, образующиеся в недрах, на стадии существования породы (катагенез, эпигенез) или на поверхности, при выветривании (гипергенез).
4.2. Проницаемость
Проницаемость – способность пород пропускать флюиды. Она зависит от размера и конфигурации пор, что обусловлено размером зерен терригенных пород, плотностью укладки и взаимным расположением частиц, составом и типом цемента и др. Очень большое значение для проницаемости имеют трещины. Традиционно проницаемость оценивали во внесистемных единицах дарси (Д). А в системе СИ ей примерно соответствует единица 1··10–12м2. Такой проницаемостью обладает образец горной породы длиной L 1 м, площадью сечения в 1 м2, пропускающий сквозь себя 1 м3/сек жидкости Q вязкостью 0,001 Па··с при перепаде давления на концах образца p 0,1013 МПа.
Различают абсолютную и относительную проницаемость. Абсолютная проницаемость описывает прохождение однородного флюида, не реагирующего с вмещающей горной породой, которая принимается однородной. Абсолютная проницаемость не меняется со временем. Эффективная проницаемость описывает прохождение конкретного флюида, например, смеси нефти и воды, которые могут реагировать с породой. Естественно, что определение ее в каждом конкретном случае необходимо. По величине проницаемости горные породы разделяются на три порядка в пределах 1·10–15 – 110–12 м2; последнее соответствует 1 Д. Примерно такой проницаемостью обладает обычная водопроводная труба, а проницаемость реальных горных пород в сотни и более раз меньше. Продуктивные коллектора имеют проницаемость 10–14 – 10–13 м2. Проницаемость обеспечивается сообщающимися порами между частицами, обломками или кристаллами. Поэтому если размер пор более 10 мкм., то проницаемость возрастает пропорционально пористости. Минимальный размер поры, в которой может перемещаться флюид, более 1 мкм. Если же пора меньше, то поверхностные силы ее стенок делают капилярное натяжение непреодолимым для флюида. Поэтому, например, глины, обладая в сухом состоянии пористостью 30%, непроницаемы из–за ничтожных размеров своих каналов. В трещиноватых породах флюид перемещается по трещинам, достигающим иногда 100 мкм. В отличие от межгранулярной проницаемости в общем постоянной в пласте, трещинная проницаемость резко возрастает в узкой зоне вблизи разломов. Вскрытие скважиной таких узких линейных зон обещает гигантские притоки, но грозит аварийными выбросами, фонтанами и требует особого искусства.
4.3. Породы–коллекторы
и породы – покрышки (флюидоупоры)
Пористость и проницаемость горных пород обуславливает особенности их взаимоотношений с жидкой и газовой фазами. Важнейшие из этих взаимоотношений для нефтегазовой геологии – это способность вмещать и пропускать сквозь себя или, наоборот – не пропускать флюиды. Такие свойства называются коллекторскими или флюидоупорными свойствами пород.
Породы, способные вмещать нефть, газ и воду и отдавать их при разработке, называются породами–коллекторами.
Изучение коллекторских свойств горных пород проводится прямыми методами – по образцам керна (кусочкам породы, вынутым из скважины), или косвенными – по геофизическим материалам, по испытаниям скважин на приток. Лабораторное изучение керна – прямое, точное и достоверное. Однако из–за того, что керн обычно разламывается по трещинам, они выпадают из поля зрения исследователя, в результате чего реальная проницаемость пород зачастую оказывается больше, чем определено при лабораторных исследованиях. Поэтому В.Д. Скарятин рекомендует рассматривать трещинный коллектор в виде совокупности двух сред:
– блоков горных пород, размером от нескольких сантиметров до нескольких дециметров (матрицы коллектора), где основная емкость и фильтрация обусловлены порами, кавернами и мелкими трещинами сообщающимися друг с другом;
– межблокового пространства, представляющего собой крупные протяженные трещины и зоны дробления пород с приуроченными к ним расширениями, кавернами, пещерами и другими полостями.
Классификации коллекторов и флюидоупоров многочисленны и разнообразны. Среди коллекторов чаще всего выделяют поровые (обусловленные гранулярной пористостью), кавернозные, трещиноватые и смешанные (кавернозно–трещиноватые, трещиновато–поровые, кавернозно–трещиновато–поровые), рис.4.1.
Трещины в коллекторах – это не только полости для накопления флюида, но и пути его миграции. К трещиноватым коллекторам за рубежом приурочено более 50% запасов нефти, а в России 12% залежей. Именно трещиноватыми коллекторами обусловлена нефтегазоносность знаменитой баженовской свиты в Западной Сибири (бажениты), а также доманиковых слоев в Европе и Северной Америке.
|
Кроме пород–коллекторов существуют породы слабопроницаемые, или практически непроницаемые. Такие породы называются породами – флюидоупорами (покрышками). Лучшие из них – каменная соль и глина. Особенно хорошие изолирующие свойства у монтмориллонитовой глины, способной разбухать в воде. Большая часть горных пород имеет средние коллекторские и изолирующие свойства. В результате флюиды не могут спокойно мигрировать по породе и в то же время не являются надежно удержанными. Такие породы называют ложными покрышками.
Колекторские и изолирующие свойства зависят не только от особенностей породы, но и от состояния флюидов внутри нее, от давления и температуры, при которых они находятся. Характеристики коллекторов и флюидоупоров меняются с глубиной часто неоднозначно и непредсказуемо. Например, коллекторские свойства карбонатных пород улучшаются за счет выщелачивания и образования каверн, растворения карбонатного цемента. Глинистые породы часто обезвоживаются и растрескиваются. А в терригенных породах обломочные частицы уплотняются, ближе прилегают друг к другу, в результате чего коллекторские свойства породы ухудшаются. С уверенностью можно утверждать только то, что ни идеальных флюидоупоров, ни идеальных коллекторов в природе не существует.
4.4. Нетрадиционные коллекторы
Понятие о традиционных и нетрадиционных коллекторах условно и соотносится с временем, местом, и научной позицией. В самом широком смысле к нетрадиционным относятся коллекторы с негранулярной пористостью. Как правило, это толщи, сложенные глинистыми, кремнистыми, вулканогенными, интрузивными, метаморфическими породами.
Коллекторы в глинах возникают как зоны разуплотнения вследствие преобразования глинистых минералов, выделения связной воды, генерации из органического вещества жидких продуктов и газов. При этом какой–то участок породы, вследствие роста внутреннего давления, пронизывается системой трещин и возникает природный резервуар, ограниченный со всех сторон менее измененными породами. Трещины возникают преимущественно по наслоению пород. Иногда эти участки на первый взгляд никак не связаны с тектонческими особенностями региона, но зато в их размещении угадывается приуроченность к закономерным зонам связанным с ротационными силами. По мнению Ю.К. Бурлина [Геология и геохимия, 2000], таким образом образовались резервуары в баженовской карбонатно–глинисто–кремнистой толще верхней юры в Западной Сибири (Салымское месторождение), в майкопской глинистой серии Ставрополья (Журавское месторождение). Сходным образом возникают резервуары в глинисто–карбонатных богатых органическим веществом так называемых доманикоидных, или доманиковых толщах.
В кремнистых биогенных толщах гранулярный биопустотный коллектор поначалу создается ажурной структурой створок диатомовых водорослей и других сложенных опалом организмов. Затем, при минеральной трансформации опала возникает глобулярная (шаровая) структура, которая растрескивается и создается связная система трещин, аналогичная описанной ранее. Так образуются коллекторы в кремнистых породах формации Монтерей миоцена на шельфе Калифорнии (месторождение Пойнт Аргуальо), на Сахалине.
В вулканогенных породах пустотное пространство образуется при выходе газа из лавового материала, или при вторичном выщелачивании. Примерами нефтегазоносных вулканических толщ служат осадочно–туфогенный комплекс в Восточной Грузии и Западном Азербайджане, формация «зеленых туфов» в Японии.
Нефтегазоносность фундамента платформ как правило бывает связана с вторично измененными магматическими и метаморфическими породами в их корах выветривания, в зонах проработки гидротермальными растворами и другими вторичными изменениями. Притоки нефти из резервуаров такого типа получены из гранитно–метаморфических пород, залегающих в Шаимском районе Западной Сибири, Оймаша на Южном Мангышлаке, Белый Тигр на Вьетнамском шельфе.
Глава 5
Физико-механические свойства
горных пород
Знание физико-механических свойств горных пород необходимо при строительстве скважин и разработке меторождений. С учетом их следует производить предварительный выбор долот для различных интервалов бурения; учитывать их при проектировании режимов бурения; при выборе типа бурового раствора и его свойств, методов вскрытия продуктивного пласта и конструкции призабойной зоны скважины; для предупреждения возможных осложнений в процессе бурения; иногда - при выборе конструкции скважины. Знать физико-механические свойства горных пород необходимо и при составлении проекта разработки нефтяных и газовых месторождений.
5.1. Плотность
Плотность d - это отношение массы m вещества к единице объема V. Плотность измеряется в г/см3, кг/л или т/м3. Так как плотность воздуха мала, то ею пренебрегают и при измерениях плотности взвешивают вещество в воздухе, а не в вакууме. Плотность воды 1 г/см3, дерева немного меньше - оно плавает как и жидкая нефть (0,8–0,9 г/см3), растекаясь пятнами на море при авариях танкеров. Плотность человека, выдохнувшего воздух, тоже почти 1 г/см3, а вдохнувшего - 0,95 г/см3. Плотность густой нефти, и тем более мазута 1,05 г/см3 – недаром он оседает на дно при крупных разливах нефти в море. Это случается при авариях танкеров, во время военных сражений протекающих на территориях нефтяных промыслов.
Плотности минералов колеблются в очень широком диапазоне от 2,2 г/см3 у галита, 2,66 г/см3 у кварца, 2,55 – 2,7 г/см3 у полевого шпата, 2,72 г/см3 у кальцита, до 3,9 г/см3 у сидерита и 5,0 г/см3 у магнетита. Среди самых тяжелых минералов магнетит, киноварь и золото. Горные породы состоят из комплексов породообразующих минералов, плотности которых колеблются в узких пределах - от 2,55 г/см3 у ортоклаза до 2,75 г/см3 у доломита, и поэтому минеральный состав существенно на плотность не влияет. Иное дело жидкая и газообразная фазы породы или, в терминах нефтяной геологии - поры: плотность кварцевого песка снижается при 10% пористости с 2,66 до 2,40 г/см3, а при пористости 20% – до 2,10 г/см3 .Таким образом, плотность горных пород, и особенно пород осадочных, во многом определяется пористостью.
При некоторой тренировке геолог может, взвесив в руке образец, довольно точно определить его плотность, а по ней пористость.
В пластовых условиях, где поры заполнены солеными пластовыми водами, плотность соответственно возрастает при пористости 10% до 2,50 г/см3, а при пористости 20% до 2,35 г/см3. В науке о бурении плотность породы в пластовых условиях называется объемной массой.
С увеличением всестороннего сжатия объемная масса возрастает благодаря, во-первых, уменьшению пористости и, во-вторых – некоторому увеличению плотности сжимаемого в порах флюида. Кроме того, соленость пород растет с глубиной. Объемная масса осадочных пород обычно колеблется от 2,0 до 2,7 г/см3. С ростом объемной массы связано и увеличение горного (литостатического) давления.
5.2. Прочность
Прочность - это способность вещества не разрушаться под действием механических сил – будь то удар молотка или воздействие долота на породу. Прочность измеряется напряжением, при котором вещество разрушается. Измеряется прочность в МПа. Прочность горной породы зависит от вида деформации. Горная порода и минералы могут подвергаться одноосному сжатию и растяжению, деформациям изгиба и сдвига (простым видам деформации), а также нескольким деформациям одновременно (сложные виды деформации). Горные породы наиболее устойчивы по отношению к сжатию, а другим деформациям горные породы противостоят слабее; прочность на растяжение составляет менее 10% от прочности на сжатие. И действительно, из камня сложены стены неприступных крепостей, и даже конструкция арки такова, что и здесь камень в основном, работает на сжатие. Прочность горных пород на сжатие σсж, на сдвиг σс, на изгиб σизг и на растяжение σр связаны между собой следующим соотношением:
σ cж> σс> σизг> σр (5.1)
Приведенное соотношение показывает, что наиболее рациональный способ разрушения горной породы на забое скважины связан с использованием деформации растяжения.
Прочность минералов на сжатие достаточно велика, хотя и колеблется в широких пределах – свыше 500 МПа у кварца до 10–20 МПа у кальцита. Прочность горных пород существенно ниже, что объясняется их неоднородностью, наличием локальных дефектов, трещиноватостью (от зияющих трещин до паутин и микротрещин). Прочность пород существенно зависит от её минерального состава, структуры и текстуры породы, глубины залегания и других. факторов.
Прочность породы уменьшается с ростом влажности, например, прочность песчаников и известняков снижается при насыщении их поровой водой на 25 – 45%, что и происходит в пластовых условиях. Особенно сильно можно снизить прочность пород, используя поверхностно-активные вещества ПАВ (эффект Ребиндера). У слоистых – т.е. анизотропных пород прочность сильно меняется в зависимости от направления действия нагрузки. Отношение прочности перпендикулярно слоям к прочности параллельно им называется коэффициентом анизотропии, который колеблется у различных пород от 0,3 до 0,8. Естественно, что у изотропных, однородных пород, например, известняков или гранитов он равен 1. Прочность пород растет по мере их погружения в недра, отражая уменьшение пористости, изменение структуры и минерального состава и благодаря напряженному состоянию, в котором порода пребывает в недрах. Например, у глин прочность возрастает от 2–10 МПа на поверхности до 50–100 МПа в зоне метаморфизма, где глины преобразуются в сланцы. В процессе разрушения долотом горной породы последняя испытывает сложные виды деформации. Учитывая это, а так же особенности процесса внедрения зубца долота в забой скважины, прочностные характеристики горной породы мало подходят для проектирования процесса её разрушения.
5.3 Упругость.
В общепринятом смысле упругость – это свойство тел после снятия напряжения восстанавливать свою форму без остаточной деформации. Деформация упругих тел описывается законом Гука, т.е. относительная деформация x пропорциональна приложенному напряжению σ:
σ = Е · x (5.2)
Где Е - модуль Юнга, характеризует упругость тела. Классический пример упругого тела – пружина. Чем сильнее вы её растягиваете (сжимаете), тем больше она удлиняется (укорачивается). Как только вы перестаете на неё воздействовать она возвращается в первоначальное состояние (к первоначальной длине).
Наряду с модулем Юнга упругие свойства горных пород описываются коэффициентом Пуассона m. Он является коэффициентом пропорциональности между относительными продольными и поперечными деформациями.
| m= | xх | |
| xу | (5.3) |
где x x и x y продольная и поперечная деформация породы соответственно.
Коэффициент Пуассона для большинства минералов и горных пород находится в интервале 0,2–0,4. Исключением является кварц, у которого из-за специфики строения кристаллической решетки m достигает 0,07.
Большинство минералов подчиняются закону Гука. Кристаллы ведут себя как упругие тела и разрушаются минуя пластическую деформацию, когда напряжение достигнет предела прочности.
В табл.23 приведены модули Юнга для некоторых горных пород, полученные при одноосном сжатии.
Таблица 23
Модули упругости некоторых горных пород
| Горная порода | Модуль Юнга E×10-4, МПа | Горная порода | Модуль Юнга E×10-4, МПа |
| Глины | 0,03 | Мрамор | 3,9–9,2 |
| Глинисты сланцы | 1,5–2,5 | Доломиты | 2,1–16,5 |
| Алевролиты | 1,7–2,7 | Граниты | до 6,0 |
| Песчаники | 3,3–7,8 | Базальты | до 9,7 |
| Известняки | 1,3–8,5 | Кварциты | 7,5–10,0 |
Данные таблицы показывают зависимость модуля Юнга от минералогического состава породы. Но какую-то закономерность здесь проследить сложно. Обратим внимание на ряд факторов, от которых зависят упругие свойства пород. Породы одинакового минералогического состава, но разной степени уплотнения имеют разную упругость (чем больше уплотнение, тем больше упругость). Т.к. уплотнение горных пород растет с глубиной их залегания, модуль упругости одноименных пород также увеличивается с глубиной. Как правило модуль упругости уменьшается с увеличением пористости пород. Он также уменьшается с увеличением увлажненности пород.
Заметное влияние на упругость горных пород оказывает текстура. Обычно в породах с явно выраженной слоистостью или сланцеватостью (глинистые сланцы) в направлении перпендикулярном к сланцеватости модуль Юнга меньше, чем в направлении параллельном ей. Установлено, чем меньше размер кристаллов в горных породах, тем больший модуль упругости они имеют.
С увеличением глубины залегания горных пород возрастает температура и давление всестороннего сжатия. Под их действием такие упруго–хрупкие породы как граниты, кристаллические сланцы приобретают пластические свойства. В результате для объемного разрушения горной породы требуется большее время контакта зубца с породой, а следовательно, меньшая частота вращения долота. Таким образом, свойства горных пород влияют на выбор параметров режима бурения.
Горные породы можно подразделить на три группы:
1) упруго-хрупкие, подчиняющиеся закону Гука вплоть до их разрушения;
2) пластично-хрупкие, разрушению которых предшествует как упругая так и пластическая деформация;
3) высокопластичные, упругая деформация которых незначительна.
5.4. Пластичность
Под пластичностью в общем случае понимают свойства твердых пород сохранять остаточную деформацию, возникшую под воздействием внешних сил, после прекращения их действия.
Пластичность проявляется тогда, когда напряжение превысило предел упругости, и предшествует разрушению. Пластические деформации в отличие от упругих непропорциональны величине деформирующего напряжения, а растут быстрее, например, пластилин или влажная глина. Если пластические деформации растут без роста давления, то тело идеально пластично и деформируется в режиме ползучести (режиме растекающегося масла). Если рассматривать поведение вещества за долгий промежуток времени, то текучим оказывается «твердый» битум, а за геологическое долгое время текучими оказываются многие горные породы. Горные породы по пластичности разделены на шесть категорий. К первой отнесены упруго-хрупкие породы. Ко второй–пятой категориям пластично-хрупкие породы, а шестую составляют высокопластичные горные породы. В табл. 23 приведена классификация осадочных пород по пластичности.
В недрах пластичными оказываются породы хрупкие на поверхности, потому что пластичность пород возрастает при растущих давлениях и температурах за геологически большие промежутки времени. Например, лед и сухая глина – хрупкие на поверхности, в тот же время на глубине несколько сот метров они пластичные. Этим обусловлено медленное течение ледников, галит на глубине более 500 метров выдавливается, образуя соляные купола и штоки.
Таблица 23
Дата: 2019-02-02, просмотров: 529.
