Ємнісні методи

Як вже зазначалося, гірські породи і мінерали не є суцільними тілами: тверда фаза заповнює лише частину об’єму гірської породи, а в неза-повненому нею просторі знаходяться інші (звичайно рідинна та газова, інколи - лід та гідрат газу) компоненти порід. Властивість порід вміщувати різні, не заповнені твердою фазою об’єми (V_пор) в визначеному їх сухому об’ємі (V_с) називається пористістю. Кількісно об’єм всіх видів пор визначають коефіцієнтом загальної пористості: К_ПЗ=V_пор/V_с. Об’єм V_пор складається з окремих невеликих просторів - пор, через те його нерідко називають поровим простором гірських порід. Вплив пор на величини інших фізичних властивостей порід залежить від їх походження, форми, розмірів та взаємозв’язків.

За походженням серед пор виділяють первинні та вторинні. Первинні пори виникають при утворенні породи, і змінюються за величиною та формою при її ущільненні, цементації, метаморфізації тощо. Первинними є структурні пори між зернами (гранулами) уламкових (піщаних, алевритових, глинистих, вапняково-магнезіальних) порід, міжкристалічні пори щільних магматичних, метаморфічних, осадових порід, пори вапнякових, кременистих туфів тощо. Вторинні (нові) пори (каверни, тріщини, канали в тілі порід) утворюються при розчиненні, вивітрюванні, кристалізації, перекристалізації порід, доломітизації вапняків, тектонічних та біохімічних процесах. За формою пори можуть бути близькими до ромбоедричних чи тетраедричних (в уламкових породах), щілиноподібними (в глинах), тріщиноподібними (в кристалічних породах), каверноподібними (у карбонатних породах), пузирчастими (в магматичних породах), каналоподібними (в лесах), вузликовими (в туфах) тощо.

Розмір пор характеризують ефективним (середнім) діаметром, або поперечним перетином, які в різних типах порід можуть суттєво відрізнятися. В основу класифікації пор за розмірами покладені дані про характер зв’язку порової рідини з твердою компонентою і її пересування в породах. За ефективним діаметром d_еф виділяють:

1) Великі надкапілярні пори з діаметром більш як 10^-1 мм властиві слабко зцементованим уламковим породам (галечники, піски тощо), у вилужених карбонатних породах вони досягають велетенських розмірів і називаються мегапорами (карстові печери). Основний обсяг води рухається під дією сили тяжіння у відповідності з законами трубної гідромеханіки.

2) Капілярні пори з ефективними діаметрами в межах 10^-4-10^-1 мм характерні для менш сортованих і більш зцементованих порід (дрібнозернисті піски, піщаники). Радіус менісків, утворених на межі 2 фаз такий, що сили поверхневого натягу протидіють рухові води під впливом сили тяжіння (тобто спостерігається явище капілярного підйому).

Надкапілярні та капілярні пори нерідко об'єднуються під назвою макропор.

3) Тонкі субкапілярні (мезопори, або перехідні пори), малі за розмірами пори,d_ефяких змінюється від 2×10^-6 до 10^-4 мм. Вони властиві природним адсорбентам (глинам, мікрокристалічним і крейдоподібним вапнякам, діатомітам, трепелам, попеловим туфам тощо). Такі пори заповнені рихло і міцно зв’язаною водою, яка фактично не здатна до переміщення під дією сил тяжіння та поверхневого натягу.

4) Мікропори (тонкі пори) з d_еф<2×10^-6 мм; вони встановлені у деяких природних цеолітах. В мікропорах, діаметр яких відповідає розмірам молекул, знаходиться тільки один шар міцно зв’язаної води.

Взаємозв’язані пори (їх багато у добре відсортованих, слабко зцементованих уламкових породах) називають відкритими, а незв’язані (часто зустрічаються у карбонатних, магматичних породах з каверноподібними та пузирчастими порами) - закритими. Сума обсягів V_в.пор і V_з.пор, відповідно відкритих і закритих пор (відкритої і закритої пористості) є обсягом V_пор усіх пор породи або її загальної пористістю: V_пор.=V_в.пор+V_з.пор. Поровий простір породи має достатньо складну форму і складається з поєднання пор різного розміру.

Однією з найважливіших структурних характеристик порід, яка значною мірою визначає багато інших петрофізичних характеристик (коефіцієнти газо - і водопроникності, питому електропровідність, електрохімічну і гама-активність тощо) є поровий склад. Поровий склад (розподіл пор за розмірами) визначає сукупність концентрацій різноманітних за ефективним діаметром пор в поровому обсязі породи. Поровий склад незцементованих порід в основному залежить від гранулометричного складу, а зцементованих - від вмісту цементу, зростання кількості якого призводить до зменшення частки великих пор.

У різних типів (піски, піщаники, алевроліти, вапняки, граніти, габро тощо) і груп (піщані, алевролітові, глинясті, кислі, середні, основні, ультраосновні тощо) порід різні (за походженням, формою, розмірами, внутрішнім зв'язком) пори знаходяться в неоднакових співвідношеннях в поровому просторі, вони неоднаково розподіляються і в обсязі породи. Характер розподілу пор різного генезису (та форми) за розмірами звичайно називають структурою порового простору породи.

Дуже важливими для оцінки фільтраційних і адсорбційних властивостей є питома поверхня і поверхня порового простору порід. Властивість порід мати різну поверхню порового простору оцінюється питомою поверхнею - об’ємною (S_v) і масовою (S_m). Перша характеризує поровий простір одиниці об’єму (м²/м³=м^‑1), а друга – поровий простір одиниці маси породи (м²/кг): S_v=S_m×d_м×(1‑К_п). Величина питомої поверхні осадових порід залежить від мінерального і гранулометричного складу, форми зерен, вмісту і типу цементу. Найбільшу питому поверхню мають природні адсорбенти: глини, трепели, окремі різновиди бокситів і деякі інші породи аналогічного типу, в гранулометричному складі яких переважають дуже дрібні частки з r_еф£1×10^‑4 мм, а S_mзнаходиться в межах 1×10⁴¼4×10⁵ м²/кг. Питома поверхня добре розсортованих, обкатаних, слабко зцементованих, середньо-уламкових порід значно менша (0.5×10³¼2×10³ м²/кг). За величиною питомої поверхні можна приблизно оцінити проникність та електричні властивості.

Невід’ємною особливістю будь-яких гірських порід є тріщини. Вони виникають разом з породою, існують та змінюються разом з нею на протязі всієї її історії. Тріщина - це порожнина складної форми, заповнена газом, рідиною чи твердими мінеральними утвореннями форма якої відрізняється від інших порожнин в гірських породах (пор, каверн, карстових порожнин тощо) різким переважанням протяжності в усіх напрямках вздовж стінок над відстанню між стінками. План сіті тріщин часто формується ще до того як магма чи осадок сформуються як гірська порода. В магматичних породах перші тріщини розтинають ще рухомий, не повністю розкристалізований розплав, а в метаморфічних породах кліваж виникає при перебудові структури породи в процесі метаморфізму; першими елементами ж сіті тріщин осадових порід є поверхні розділу шарів порід. Сформована система тріщин успадковується на всіх етапах існування геологічного тіла видозмінюючись разом з породами, а нові системи тріщин виникають за різкої зміни умов існування.

Найчастіше тріщину описують відрізками двох площин, кожна з яких апроксимує одну звивисту стінку. Відстань між цими площинами називають розкриттям (b), протяжність частини площини називають довжиною тріщини (l). Для фіксації орієнтації стінки в просторі визначають азимут і кут падіння стінки (a і b, відповідно), а також відстань до сусідньої паралельної тріщини (a). Важливим параметром, від якого залежать фізико-механічні властивості блоків порід, є відносна площа контактів в загальній площі стінки тріщини. Структура сітки тріщин суттєво змінюється в межах масиву і залежить від сукупної дії літолого-петрографічного та тектонічного чинників.

Для оцінки масопереносу тріщини класифікують за розкриттям, зокрема, згідно С.М.Чернишова (1983 р.), виділяють: субкапілярні (b=<10^-8 м), капілярні (b=10^-8¼10^-4 м), вузькі (b=10^‑4¼10^-3 м), середні (b=10^-3¼10^-2 м) та широкі (b=10 ²¼10^-1 м) тріщини, щілини (b=10^-1¼1 м), зони дроблення розривів (b>1¼10² м). Коефіцієнт тріщинної пористості залежить від площі поверхні стінок (S) та розкриття тріщин: знаходиться з виразу: К_ТР.П=0,5×b×S×V^‑1 (де V – об’єм породи). Його величина, як правило, не перевищує 0,003.

Однією з найважливіших ємнісних властивостей порід є їх проникність, тобто властивість проводити (фільтрувати через себе) рідини, гази і їх суміші за наявності градієнту тиску. Згідно лінійного закону фільтрації Дарсі пори проводять за одиницю часу тим більшу кількість (Q) сухого газу або однорідної однокомпонентної рідини, чим більший їх перетин(F), діючий градієнт тиску (Dр/l) і менша в’язкість (m) речовини, що фільтрується:

Коефіцієнт проникності К_пр визначає відмінність видатків газу (або однокомпонентної рідини) в різних породах при заданих перетині, градієнті тиску і в’язкості. Залежність проникності не тільки від властивостей середовища, але й від взаємодії речовин які фільтруються з породами та кількості фаз флюїдів, обумовила необхідність введення понять абсолютної, фазової, та відносної проникності. Коефіцієнт проникності в пористому середовищі з капілярною проникністю пов’язаний з динамічною пористістю (K_Д) рівнянням Козені-Кармана, згідно якого:

,

де: f – коефіцієнт форми перетину капілярів (2 – для капілярів круглого перетину і 3 для щілин з коаксіальними стінками); Т_Г – гідравлічна звивистість каналів; S_Ф - питома поверхня фільтруючих каналів.

В тріщинуватих породах проникність має дві складові – міжгранулярну (міжзернову) і тріщинну. Остання, як правило в 100-1000 разів вища за першу, а тому у цьому випадку достатнім буде визначення проникності обумовленої тріщинуватістю. На тріщинну проникність впливають: розкриття, просвітність тріщин і об’ємна щільність тріщин: К_пр.тр=const×b³×S×V^‑1

Таблиця 8.6 – Основні ємнісні параметри гірських порід