книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

цемента, обусловливают прочность породы на сжатие. Исследова­ ния Б. А. Лысикова и др. [49] песчаников с различным типом цементации и составом цемента показали хорошее соответствие между указанными параметрами и пределами прочности при одноосном сжатии и растяжении. Так, например, предел проч­ ности при одноосном сжатии изменяется от 870 кГ/см2 для песча­ ников с базальным типом цементации до 1020—1080 кГ/см2 при кристаллическом типе или вдавливании.

Рис. 33. Номограмма для оценки относительного изменения параметра порнстостп под действием дифференциального давления.

Таким образом, анализ экспериментальных результатов изуче­ ния воздействия давления на удельное электрическое сопротивле­ ние осадочных пород показывает сложную зависимость измене­ ния рп от состава н структуры пород. Многообразие факторов, влияющих на эту зависимость, требует индивидуального исследо­ вания каждого изучаемого комплекса пород. Тем не менее имеющийся экспериментальный материал позволяет рекомендовать некоторые способы учета влияния термодинамических условии залегания пород на их физические свойства. В частности, для учета изменения зависимости параметра пористости от коэффициента

пористости, используемого в практике интерпретации результатов электрического каротажа, можно рекомендовать эмпирически уста­ новленную связь между относительным увеличением параметра пористости и дифференциальным давлением.

На основании обобщения имеющегося в нашем распоряжении экспериментального материала с учетом.пористости пород и струк­ турного показателя т было установлено, что изменение параметра пористости глинисто-алевролито-песчаных пород под влиянием давления можно выразить эмпирическим уравнением

Номограмма для расчета по уравнению (83) изменения пара­ метра пористости, исходя из пористости пород кп и структурного показателя т, приведена на рис. 33. Сопоставление измеренных значений Рп (р)/Рп (0) с величинами, снятыми с номограммы, показывают хорошую сходимость. Различие не превышает ± 5% .

3. УСТОЙЧИВОСТЬ НАМАГНИЧЕННОСТИ ПОРОД К ВОЗДЕЙСТВИЮ ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ

Горная порода обычно включает ферромагнитные минералы микроскопических размеров с одно- и многодоменной структурой. Она служит источником сведений о магнитном поле в древние геологические эпохи. Различие магнитных свойств горных пород является основой магнитометрического метода разведки земной коры, для интерпретации результатов которого необходимо знать степень и характер намагниченности пород, слагающих район исследования.

Основными, направлениями при исследовании магнитных свойств пород при высоких давлениях являются следующие:

1)выявление способности пород намагничиваться в условиях напряженного состояния, вызванного внешними механическими силами;

2)обнаружение устойчивости намагниченности к воздействию различных намагничивающих факторов в условиях напряженного состояния;

3)выявление наличия устойчивости намагниченности, ранее

приобретенной породой, к механическим нагрузкам. Исследования М. А. Грабовского [29, 30], А. Г Калашникова

и С. П. Капицы [42] показали, что магнитная восприимчивость тс магнетита и горных пород при воздействии статической нагрузки обратимо уменьшается. В частности, для титаномагнетитов [30] при давлениях 104 кГ/см2 я уменьшается до 7 раз, а для магмати­ ческих пород при давлении 1600 кГ/см2 [42] до 2 раз. Анализ этих исследований совместно с данными И. Керна и Ф. Стеси позволил Т. Иагата и Н. Киношпта вывести теоретические

Остаточная намагниченность I гл приобретенная породой при напряженном состоянии, так же, как и магнитная восприимчи­ вость, меньше, чем в нормальных условиях. По данным М. А. Грабовского и Э. И. Пархоменко [30] I г титаномагнегита при р = = 104 кГ/см2 в 18 раз меньше, чем при р = 1 кПсм2. Аналогичное уменьшение I г при увеличении давления наблюдается у магнетита. Направление приобретенной остаточной намагниченности в образ­ цах горных пород почти не отличается от направления намагни­ чивающего поля как для термоостаточной, так и для химической намагниченности [57]. При переменных нагрузках, по Д. Л. Фингеру, наоборот, наблюдается увеличение магнитной восприим­ чивости пород и остаточной намагниченности. Рост х и I г для магнетитовых руд при давлении 300 кГ/см2 достигал в некоторых экспериментах 30—40%.

К сожалению, имеющиеся в настоящее время отдельные сведе­ ния об устойчивости намагниченности к воздействию различных размагничивающих факторов в условиях напряженного состояния не позволяют выявить более общие закономерности, справедливые для горных пород. Можно лишь предполагать, что вследствие разрушения нестабильных компонентов намагниченности под на­ грузкой (см. ниже) роль размагничивающих факторов в условиях напряженного состояния пород будет уменьшена.

Устойчивость различных видов остаточной .намагниченности магнетита, гематита и смеси магнетита с кобальтом при воздейт ствии всестороннего давления была изучена С. Кумом [104] и Р. Жирдлером [95]. По данным С. Кума, изотермическая оста­ точная намагниченность гематита уменьшается почти наполовину после воздействия всестороннего давления 10 000 кГ/см2. Изо­ термическая остаточная намагниченность гамма-гематита при тех же давлениях почти не изменяется, а чистого магнетита умень­ шается на 30%. Опыты, проведенные по исследованию влияния

давлением до 9500 кГ/см2 составляло лишь 4,9/6.

Степень устойчивости различных видов намагниченности гор­ ных пород к воздействию механических напряжений почти не изучена. Можно отметить лишь работу Д. Грэхэма, А. Паддинг­ тона и Д. Болели [96], где указана изменчивость естественной

остаточной намагниченности метаморфических пород под дей­ ствием осевого давления. Вид намагниченности исследуемых пород при этом не назван. Между тем, знание стабильности раз­ личных видов намагниченности пород при воздействии высоких сжимающих нагрузок имеет большое значение для оценки степени изменения аномального магнитного поля, сохранности первичной намагниченности пород для палеомагнитных построений и интер­ претации результатов исследований по сейсмомагнитному эффекту.

Согласно современному учению о магнетизме веществ, значение

Если намагниченность ферромагнетика является следствием уменьшения кристаллографической анизотропии, то для снятия этой остаточной намагниченности необходимо воздействовать на ферромагнетик силами, приводящими к изменению магнито­ кристаллографической энергии. Аналогично намагниченность, приобретенная за счет уменьшения внутренних напряжений кри­ сталлов, будет устойчивой до тех пор, пока не произойдет измене­ ния магнитоупругой энергии.

Как известно, внешние упругие силы изменяют характер распределения внутренних напряжений и стремятся создать равновесное состояние. Следовательно, если ферромагнетик намаг­ ничен за счет изменения магнитоупругой энергии, то внешние напряжения должны уменьшать потенциальные барьеры между доменами, и средняя намагниченность должна стремиться к нулю.

точной I п намагниченности нами проводилось для четырех типов

пород 14] (рис. 34). Были исследованы более 30 образцов габбродиабазов, щелочных гранитов, кварцевых диоритов и плагиогнейсов. Использование магматических пород определялось необ­ ходимостью исключить фактор механического разрушения^скелета породы и более точными измерениями на породах с высокими магнитными параметрами.

Изотермическая намагниченность на исследуемых образцах была получена в поле Не = 110 э после предварительного раз­ магничивания образцов в переменном поле Н<*, = 650 э. Вели­ чина Не, как и #с* при идеальной намагниченности, была выбрана

ных данных, по мере уменьшения намагничивающего поля роль давления возрастает. Остаточная намагниченность, полученная в поле Не = 25 э, почти разрушается при давлении 4000 кГ/см2, а в поле Не =• 110 а при рс = 8000 кГ/см2 сохраняет около 15% от начальной величины.

Так как устойчивость изотермической намагниченности в по­ лях, ниже насыщающих, связана с магнитоупругой энергией и при приложении давления внешние напряжения снижают потен­ циальные барьеры, то в случае термоостаточной намагниченности роль магнитоупругой энергии должна быть минимальной. При этом, поскольку энергия определяется *в основном кристалло­ графической анизотропией, давление не должно существенно влиять на термоостаточную намагниченность. Относительное изме­ нение термоостаточной намагниченности, полученной в земном магнитном поле, показано на рис. 34. Как и следовало ожидать, изменение / г1 не превышает 15%.

9о

Известно, что идеальная намагниченность по стабильности относительно размагничивающего действия переменного магнит-

.ного поля имеет среднее значение между термоостаточной и изо­ термической намагниченностью. Поэтому интересно сопоставить устойчивость идеальной намагниченности к давлению с устой­ чивостью I г и / г/. С этой целью в исследуемых образцах в земном магнитном поле была создана идеальная намагниченность при различных значениях переменного поля. Результаты влияния давления на идеальную намагниченность приведены на рис. 36.

до 8000 кГ/см2 в среднем изменяются соответственно на 15 и 85%, то идеальная намагниченность, полученная в земном поле при Ны = 650 а, изменяется в среднем на 30%. Однако при умень­ шении Нк, до 130 а устойчивость идеальной намагниченности понижается и становится сравнимой с устойчивостью изотерми­ ческой намагниченности, полученной в полях Нс — Н&.

Таким образом, устойчивость / г, I п и 1г1 к воздействию все­ стороннего давления до 8000 кГ/см2 почти аналогична устойчи­ вости этих видов намагниченности к переменному магнитному полю, т. е. наиболее стабильна термоостаточная намагниченность, наименее — изотермическая намагниченность; идеальная намаг­ ниченность имеет промежуточное значение (рис. 37).

Так как различные виды намагниченности проявляют разную степень устойчивости к воздействию давления, представляло интерес, будет ли наблюдаться изменение направления Суммарной намагниченности образцов, обладающих различными видами на­ магниченности. С этой целью в образцах после размагничивания

и воздействия давления (8000 кГ/см-) была создана изотерми­ ческая остаточная намагниченность по оси г в поле Не = 40 э и по оси х — 20 э. Результаты вторичного воздействия давления на полученную намагниченность и изменение направления / намагниченности приведены в табл. 13. Из приведенных данных следует, что при двух разных видах намагниченности влияние всестороннего давления не только уменьшает значение полного вектора намагниченности, но и изменяет направление его в сторону более стабильной намагниченности.

Таблица

Изменение направления / и величины изотермической остаточной намагниченности пород после воздействия всестороннего давления

Если в образце наряду с устойчивой относительно давления термоостаточной намагниченностью имеется менее стабильная' компонента, направленная антипараллельно термоостаточной намагниченности, то при воздействии давления в зависимости от соотношения величин двух видов намагниченности возможно также изменение знака суммарной намагниченности. В табл. 14 приведены результаты такого эксперимента. В образцах с термо­

диорит

воздействия давления 8000 кГ/см2 была создана изотермическая

вление полного вектора приобрело знак минус.

Следует отметить также наблюдаемое увеличение устойчи­ вости / г и I п к переменным магнитным полям после воздействия давления.

Изменение 1Г и I г1 при размагничивании переменными полями показано в табл. 15. В числителе дано относительное изменение намагниченности в процентах, в знаменателе — то же, но после воздействия давления 8000 кГ/см2 на намагниченность, вторично созданную в образце из нулевого состояния. Как видно из при­ веденных данных, во всех случаях после воздействия давления наблюдается повышение устойчивости I г и I г1 к переменным магнитным полям, что, по-видимому, связано с увеличением коэрцитивной силы образцов.

Т а б л и ц а 15 Размагничивание (в %) изотермической и идеальной намагниченности

Таким образо.м, исследование влияния всестороннего давления на остаточную намагниченность показывает, что стабильность намагниченности к воздействию давления является функцией вида намагниченности. Наиболее устойчива термоостаточная на­ магниченность, наименее — изотермическая. Идеальная намаг­ ниченность имеет промежуточное значение. Стабильность намаг­ ниченности к давлению-зависит от величины намагничивающего поля. Чем больше намагничивающее поле, тем более устойчива

намагниченность. Изменение намагниченности воздействием да­ вления не связано с составом ферромагнитных минералов, что позволяет высказать предположение о справедливости выявленных закономерностей для широкого круга пород, в том числе для оса­ дочных горных пород.

Глава V

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТОВОГО (ПОРОВОГО) ДАВЛЕНИЯ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Одной из особенностей физического состояния осадочных горных пород на больших глубинах является наличие давления на флюид, заполняющий норовое пространство породы. Давление на жидкость или газ изменяет не только физические характери­ стики флюида, но и оказывает дополнительное воздействие на свойства пород, вызванное «разуплотнением» пласта, сжатием твердой фазы, заполнением флюидом микровйзр и т. п. В зонах с повышенным пластовым давлением (аномально высоким пласто­ вым давлением АВПД), несмотря на увеличение плотности флюида под действием пластового давления, регистрируется понижение плотности пласта, его электропроводности, увеличение времени! прохождения упругих волн и др. Эти особенности пород на прак­ тике используются для прогнозирования и выделения зон с по­ вышенным пластовым давлением методами каротажа [141. Поэтому исследование влияния пластового давления на физические свой­ ства пород имеет большое практическое значение. Кроме того, при разработке основ метода прямых поисков нефтяных и газовых месторождений представляет интерес степень изменения физи­ ческих полей над залежью, вызванного разработкой месторожде­ ния, т. е. отбором и заменой флюида из пласта, и в связи с этим падение пластового давления.

X. Брандт предполагал, что физические характеристики пород и, в частности, скорость упругой продольной волны уР, зависят не от дифференциального давления = р е — рс, а от эффектив­ ного р Эф = р с — прц где п — коэффициент разгрузки, меньший единицы. Дальнейшая разработка теории деформации пористых сред и экспериментальное изучение влияния норового давления на скорость и пористость пород привели к некоторым разногла­

изменение внутреннего давления при постоянном внешнем давле­ нии влияет на скорость упругих волн так же, как изменение внешнего давления при постоянном внутреннем давлении и, сле­ довательно, п = 1. И. Гиртсма [94], изучая изменение объема породы под действием эффективного давления, высказал пред­