книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

чаников и пестротой состава как основных породообразующих минералов, гак и цементирующего вещества.

Важное значение имеют минеральный состав и структура цементов, связывающих обломки в одно целое, поскольку эти

с возрастанием давления наблюдается в обломочных породах, сцементированных кварцевым или кремнистым цементом, наи­ большее — глинистым цементом. Так, кварцевые песчаники, сце­ ментированные опаловым или кремнистым цементом регенерации, показывают небольшое изменение скорости при увеличении дав­ ления до 1500—2500 кГ/см2 — 25—40%. В глинистых песчаниках и алевролитах при том же повышении давления скорость изме­ няется до 80%, а при глинисто-карбонатном цементе — до 60%. Алевролиты с содержанием карбонатного цемента до 40—50% также показывают небольшое повышение скорости с возрастанием давления — 15—25%.

Скорость в известняках выше, чем в песчаниках при одинако­ вой пористости, так как основной породообразующий минерал

в известняках (рис. 23, а, б). Среди осадочных пород известняки наиболее однообразны по минеральному составу. Однако нали­ чие примесей (глина, осадочный кремнезем, доломит), структур­ ная неоднородность (от крупнозернистых до пелитоморфных) и широкий диапазон пористости способствуют расширению поля скоростей. Так, примеси песчаных частиц значительно понижают скорости карбонатных пород особенно при низких давлениях. Известняки с пористостью 11—20% в атмосферных условиях имеют скорость 3,3—4,6 км/сек, а при давлении 1500 кГ/см2 — 4,4—5,7 км/сек. Скорость продольной волны в плотных непористых известняках, особенно имеющих примеси доломита, при давлении 2500 кГ/см2 достигают величины 6,5—6,7 км/сек. Относительное изменение скорости от увеличения давления в карбонатных по­ родах небольшое — 15—25%.

Среди сцементированных осадочных пород наименьшими ско­ ростями обладают глины (рис. 23, г). Это объясняется тем, что зерна глинистых минералов очень тонкодисперсные и, как след­ ствие этого, глины обладают высокими значениями пористости. Выше отмечалось, что кристаллическая решетка глинистых мине­ ралов состоит из пакетов, связи между которыми слабые. Особенно это относится к монтмориллониту, в междупакетное пространство которого проникает вода, еще более ослабляющая силы связи (набухание глин). Глины также отличают сложность минераль­ ного состава и самый большой диапазон изменения плотности и пористости, что вместе с примесью алевритовых или песчаных частиц обусловливает широкие пределы изменения скоростей. Глины со значительной примесью карбоната и обломочной части

и пористостью 15—25% в атмосферных условиях имеют скорость 2,0—3,7 км/сек, а при давлении 1500 кГ/см2 — 2,6—4,2 км/сек. Глины отличают также равномерное изменение скорости с повы­

1/р, км/сек

Рис. 24. Зависимость скорости продольных волн от коэффициента пори­ стости для песчаников при различных всесторонних давлениях,

а. — песчаник с глинисто-слюдистым цементом; б — песчаник с глинисто-карбонатным цементом; в — кварцевый песчаник с опаловым и кремнистым цементом; ре:

1 — о, 2 — 50 КГ/СД1*. 3 —.400 кГ/сдь*, 4 — 1000 кГ/см2, 5 — 1500 кГ/см*.

шением давления вплоть до максимального (2500 кГ/см2). Отно­ сительное изменение скорости от возрастания давления в глинах значительно меньше, чем в глинистых песчаниках, и составляет 10-30% .

Как известно, основным фактором, определяющим скорость в осадочных горных породах, является пористость. Зависимость между этими величинами для песчаников при различных зна-

для глинистых песчаников и алевролитов

для глинистых песчаников и алевролитов с примесью карбо­ ната

Рпс. 25. Относительное изменение скорости продольных упругих волн в песчаниках и алевролитах при повышении всестороннего давления от атмо­ сферного до 1500 к П с м 2 в зависимости от начальной пористости п состава

цементирующего материала.

1 — цемент глшшстогслюднстый; 2 — цемент глшшето-карбонатный; ^ — цемент опало­ вый и кремнистый; 4 — пределы изменения.

Таким образом, максимальное изменение скорости продольных волн от повышения всестороннего давления наблюдается в высо­ копористых разностях обломочных горных пород с глинистым цементирующим веществом. Вид зависимости скорости продоль­ ных волн от изменения всестороннего давления в обломочных горных породах определяется главным образом распределением в объеме породы глинистых примесей: цементирующее веществог поровый заполнитель и зерна скелета.

Если глина не воспринимает нагрузки при деформации ске­ лета горной породы, а лишь заполняет межзерновое поровое про­ странство, то и ее влияние на деформируемость породы будет незначительным. Однако глина, заполняющая поровый объем,

“численно выражаемая коэффициентом заполнения пор г) (отно­ сительная глинистость), в соответствии с уравнением среднего времени [112] повышает абсолютное значение скорости. Вслед­ ствие этого наблюдаемый экспериментально эффект глинистости типа норового заполнителя на изменение скорости под действием давления будет отрицательным (рис. 26).

Жидкость или газ, заполняющие поровое пространство горной

висит от состава основных породообразующих минералов и приме­ сей в породе, структуры и степени сцементированности (вязкоста). Относительное увеличение скорое™ продольных волн при насы­ щении образцов пород раствором КаС1 в зависимости от коэффи­ циента пористости и состава цемента показано на рис. 27. Так как влияние насыщающей жидкости на скорость связано с по­ ристостью породы, то количественно эффект насыщения пропор­ ционален коэффициенту пористое™ породы. Как правило, в об­ ломочных породах, не содержащих глинистых и карбонатных примесей, в области малой пористости эффект насыщения мал (5—10%). Песчаники и алевролиты с содержанием до 40% глин или карбонатов при насыщении дают увеличение скорости до 100— 120%.

Так как жидкость, насыщающая поровое пространство горной породы, значительно изменяет упругость и жесткость породы в об­ ласти межзерновых контактов, то и ее влияние на зависимость скорости от всестороннего давления будет значительным. Однако это справедливо при относительно небольших значениях упру­ гости скелета породы. В случае повышения упругости скелета

Рпс. 27. Относительное увеличение скорости упругих продольных волн в песчаниках и алевролитах при их насыщении 2н. раствором соли КаС1 в зависимости от коэффициента пористости и состава цемента.

Условные обозначения тс же, что и на рис. 25.

породы за счет улучшения сцементированности, уменьшения по­ ристости или нагружения образца всесторонним давлением эф­ фект насыщающего флюида становится незначительным. Анало­ гично можно ожидать снижение влияния всестороннего давления на скорость продольных волн при начальной высокой упругости скелета породы, достигнутой, в частности, путем насыщения породы хорошо смачивающей жидкостью. Поэтому при воздей­ ствии давления, когда улучшаются акустические межзерновые контакты твердого скелета породы, максимальные изменения ско­ рости должны наблюдаться для высокопористых пород с низкой начальной упругостью, или в случае одинаковой пористости — для газонасыщенных пород, обладающих меньшей упругостью, чем водонасыщенные (рис. 28).

Значения скорости упругих продольных волн для различных типов осадочных горных пород, насыщенных газом уРг (воздух), 2н. раствором уРв 1ЧаС1 и нефтью у Ри приведены в табл. 9. Ве­ личины скорости при двух значениях воздействующего на скелет породы внешнего давления ре являются усредненными для всей серии исследованных образцов. Как видно из таблицы, незави­ симо от литологического состава пород насыщение их флюидом приводит к увеличению скорости. Это увеличение относительно

Рис. 28. Изменение скорости упругих продольных волн под влиянием все­ стороннего давления для образцов осадочных горных пород в зависимости от типа порозаполнителя.

1 — образцы горных пород, высушенные до постоянного веса; 2 — образцы горных пород, насыщенные 2н. раствором соли ШСГ, I — глина слюдисто-карбонатная с примесыо мусковита, /*п = 22,2%; I I — песчаник кварцевый, мелкозернистый, с опаловым цемен­

том базального типа, /<п = 19,1%; I I I — песчаник нолимиктовый, мелкозернистый с глшшсто-слюдистым цементом норового типа, /*п = 9,4%.

газонасыщенного состояния доходит до 30%. Различие скорости VР в водо- и нефтенасыщенных породах не превышает 10—12%. При этом несмотря на относительно высокую упругость воды по сравнению с нефтью водонасыщенные породы обладают меньшей скоростью. По-видимому, причина этого различия заключается в высокой упругости использованной в лаборатории дегазирован­ ной высокосмолистой нефти с плотностью б = 0,85 г/см3 и вяз­ костью 15,1 спз.

При повышении давления на скелет породы до 1500 кГ/см2, что соответствует глубине около 10 км, рост скорости максимален

с начальной высокой упругостью. Как и следовало ожидать, при высоких давлениях различие в абсолютных значениях упругой продольной волны уменьшается. Если при ре = О различие в скоростях водо- и нефтенасыщенных пород составляло до 10—

относительно газонасыщенных пород не превышают 2,5—11%, тогда как при ре = 0 иР}!/уР г ^ в/уР г = 1,1—1,3/

Таким образом, факторы, влияние которых на горную породу ведет к улучшению связности скелета породы,— возраст, выветрелость, сцементированность, метаморфизм, пористость, на­ сыщение смачивающей жидкостью и др., приводят и к уменьшению влияния всестороннего давления на скорость продольных волн.

2. ВЛИЯНИЕ ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ НА УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Изменение удельного электрического сопротивления под влиянием всестороннего давления

в зависимости от состава породы

Влияние состава породы на величину и характер изменения ее электрического сопротивления под воздействием давления обусловлено следующими факторами:

1) устойчивостью электропроводности фаз породы (твердое вещество, жидкость, газ) к воздействию давления;

2) деформационными характеристиками и электрохимической активностью твердой фазы.

Изменение электропроводности твердой и жидкой фаз, состав ляющих породу, от давления связано с изменением кристалли­ ческой решетки твердой фазы и подвижности ионов в электролите. К сожалению, в литературе почти отсутствуют сведения о меха­ низме электропроводности большинства породообразующих мине­ ралов, а также данные об изменении сопротивления мине­ ралов под действием давления. Это вынуждает нас ограничиться сведениями об изменении электропроводности минералов по изу­ чению влияния давления на сопротивление горных пород, лишен­ ных влаги. По этим же данным можно судить об изменениях со­ противления породообразующих минералов рассматриваемой по­ роды от давления. Исследования X. Хыоза [100], М. П. Воларовича и А. Т. Бондаренко [24], Э. И. Пархоменко [63] и других, проведенные на сухих лишенных влаги разнотипных горных породах, показали, что их электрическое сопротивление умень­ шается до 70% под воздействием всестороннего давления, равного 1000 кГ[см2. При этом абсолютная величина сопротивления сухих пород при различных давлениях на несколько порядков превышает сопротивление водонасыщенных осадочных пород. Следовательно, для осадочных пород изменение сопротивления