книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

Таким образом, влияние температуры до 150° С на удельное электрическое сопротивление высокопористых песчано-алеврито­ вых пород и известняков в первом приближении можно оценить

от температуры. Для высокоглинистых пород параметр пористости уменьшается при этой же температуре примерно на 15%.

В диапазоне температур 150—250° С удельное электрическое сопротивление пород по абсолютной величине может иметь очень низкое значение, а изменение параметра пористости может быть весьма существенным особенно для образцов, насыщенных рас­ творами низкой концентрации.

Глава VII

ОДНОВРЕМЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, ВСЕСТОРОННЕГО И ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЙ

НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Одной из основных задач лабораторного исследования физи­ ческих свойств горных пород является разработка методики учета влияния термодинамических условий залегания пород. Эта задача может быть решена двумя методами. Один из них — нахождение соответствующих поправочных коэффициентов за глу­ бину залегания отложений [40] путем сопоставления сводных физических характеристик по лабораторным данным и по матери­ алам полевых геофизических исследований. Второй метод пред­ ставляет прямое измерение физических свойств пород в условиях, аналогичных’ условиям т зНи, т. е. при определенных значениях давления и температуры.

Поправочные коэффициенты, полученные первым методом, характеризуют определенные соотношения между глубиной, геостатическим давлением, температурой и пластовым давлением для данного региона. Применение этих поправочных коэффициен­ тов в другом регионе, где наблюдается иное соотношение между глубиной и термодинамическими характеристиками, может при­ вести к ошибочным выводам. Результаты, полученные вторым методом, являются более объективными. Однако этот метод требует проведения весьма трудоемких экспериментальных иссле­ дований с заданным соотношением термодинамических параметров.

Приведение данных лабораторных измерений к глубинным условиям — внесение в них соответствующих поправочных коэф­ фициентов — можно осуществить также на основании результатов исследования влияния давления и температуры на физические свойства пород, изложенных в предыдущих главах. Эти резуль­ таты были получены при раздельном исследовании влияний тем­ пературы и давления на скелет и флюид, заполняющий поровое пространство породы, т. е. при изменении одного из указанных

параметров и фиксированном значении двух других. Суммарное

роннего сжатия, при которой начинается пластическое деформиро­ вание известняка, не только является функцией абсолютных вели­ чин температуры и норового давления, но и определяется их соотно­ шением. Если рассмотреть влияние на указанную величину раз­ дельно изменений температуры и норового давления и затем сложить эффекты от каждого фактора, то суммарный результат отличается от данных, полученных при их совместном воздей­ ствии.

Однако это различие при давлениях и температурах, соответ­ ствующих глубинам до 5 км (ра = 750 кГ/см2, I = 150—200° С) не превышает ± 5%. При более высоких давлениях и температурах оно увеличивается, что, естественно, ограничивает применение закона аддитивности в указанном диапазоне р и I.

Для определения возможности применения закона аддитив­

ности к геофизическим параметрам при указанных ранее значе­ ниях давления и температуры можно использовать результаты изучения -одновременного воздействия давления и температуры на скорость продольной волны и удельное электрическое сопро­ тивление пород, полученное автором совместно с А. А. Матвеенка

и3. Б. Стефанкевичем.

Спомощью установки УФС ВНИИГеофизики впервые было изучено одновременное влияние внешнего (всестороннего) давле­

ния до 1500 кГ/см2 внутреннего (порового) давления до 900 кГ[см2' и температуры до 250° С на удельное электрическое сопротивление основных типов осадочных горных пород и скорость распростра­ нения в них упругих продольных волн. Было изучено более 30 образцов песчаников, алевролитов, известняков, мергелей, доло­ митов и ангидритов, насыщенных аналогом пластовой воды (рас­ твор КаС1 с концентрацией от 5 до 20%) и нефтью. Для иденти­ фикации условий эксперимента независимо от типа пород были использованы соотношения между глубиной, всесторонним и норо­ вым давлением и температурой, приведенное в табл. 3. Результаты, обобщенные по типам пород и отнесенные к соответствующим глубинам II (исходя из дифференциального давления и темпера­ туры), приведены на рис. 50—53 (индексы у параметров Я и 0 относятся к соответствующим глубинам).

Удельное электрическое сопротивление (рис. 50) почти для всех типов пород с увеличением глубины уменьшается, поскольку, как было показано ранее, влияние температуры превалирует над. влиянием давления, а рост температуры снижает значение рп

породы. Это особенно заметно для высокопористых песчаников, где изменение рп с глубиной до 5 —6 км в среднем достигает 60%,

тогда как при воздействии только давления, соответствующего этим глубинам, рп увеличивается на 15—20%. Для низкопористых

пород, для которых основным фактором, влияющим на удельное электрическое сопротивление, является всестороннее давление, при совместном влиянии давления и температуры рп уменьшается

незначительно ввиду взаимной компенсации эффектов давления и температуры. В частности, удельное электрическое сопротивле­ ние карбонатных пород с пористостью Ап = 5% в диапазоне давлений и температур, соответствующих глубинам 2—6 кмг почти не изменяется. Незначительное изменение рп, не превыша­

ющее ±10% , наблюдается лишь для глубин 0—2 км.

Удельное сопротивление ангидритов в противоположность песчаникам и известнякам в условиях, соответствующих глубинам до 5 км, превышает более, чем в 3 раза величину рп(0), измерен­ ную в атмосферных условиях. Ввиду низкой пористости ангидри­ тов (кп = 1%) здесь так же, как и для низкопористых песчаников и известняков, на малых глубинах основное влияние оказывает давление. На глубинах 1—3 км, где температура доходит до 100° С, рост сопротивления за счет давления компенсируется уменьшением электрического сопротивления раствора.

Если учесть изменение проводимости насыщающего раствора при росте давления и температуры, т. е. вычислить значения •относительного сопротивления (параметра пористости) пород, то обнаруживается увеличение параметра пористости с глубиной для большинства изученных пород в основном в диапазоне глубин 0 —3 км. На глубинах 3 —5 км изменение Рп почти не происходит, т. е. в этом диапазоне поправка за термодинамические условия налегания сохраняется постоянной. Эта поправка в зависимости от глубины отбора приведена на рис. 51. Сравнение области 3,

Рш

Рис. 51. Изменения относительного сопротивления (параметра пористости) при одновременном воздействии давления п температуры, соответствующих различным глубинам Н залегания пород.

I — при воздействии температуры (ра = 50 хГ/с.и*); 2 — при воздействии дифферен­

циального давлепия (I =-20° С); 3 — рассчитанные путем аддитивного сложения эффек­ тов давления и температуры; 4 — экспериментальные результаты для высокопористых песчаников (Лп > 15%), насыщенных 5%-ным раствором ШС1 при одновременном воз­

действии давления.и температуры.

рассчитанной путем аддитивного сложения эффектов каждого термодинамического фактора (давление на скелет, давление на флюид и температуры) по отдельности, и поправок 4, полученных при одновременном воздействии указанных факторов на породу, показывает, что закон аддитивности по отношению к параметру удельного электрического сопротивления песчаников, насыщенных высокоминерализованным раствором, справедлив.

Эффект обратимого изменения скорости распространения про­ дольных волн во всех изученных на установке УФС ВНИИГеофизики образцах пород при одновременном увеличении давления и температуры до значений, соответствующих глубинам до 3 км, дает однозначный результат — скорость увеличивается (рис. 52). Как было показано, в этом диапазоне глубин влияние температуры ла иР водонасыщенных пород незначительно. Поэтому здесь

основное воздействие оказывает эффективное давление. При высо­ ких давлениях и температурах, соответствующих глубинам 3 — 6 км, наибольшее влияние на иР оказывает температура. В этом диапазоне почти для всех пород наблюдается уменьшение иР с увеличением глубины. Уменьшение иР после 3 км особенно заметно на образцах доломитов, мергелей, глинистых известняков, у которых скорость на глубинах 3—4 км отличается от измеря­

воды (раствор КаС1 с концентрацией 5—20%), величина скорости в диапазоне давлений и температур, соответствующих глубинам до 6 км, отличается'не более чем на 30% от значений VР при р = = 1 кГ/см2 и I = 20° С.

Аддитивное сложение эффектов влияния давления и темпера­ туры, изученных раздельно, приводит к аналогичным результатам. Как уже отмечалось, VР в водонасыщенных породах с возраста­ нием температуры до 200° С уменьшается не более чем на 20— 25%. Увеличение дифференциального давления, соответствующего

(до 3 км), где превалирующее влияние оказывает давление, при аддитивном сложении эффектов давления и температуры также должен наблюдаться рост скорости, а на больших глубинах (Н > > 3 км, р > 450 кГ/см2), ввиду большего градиента изменения иР. от повышения температуры, чем от увеличения давления, значе­ ние V]? должно уменьшаться. Это особенно относится к нефте­ насыщенным породам, для которых наблюдается максимальное уменьшение VР от повышения температуры при относительно одинаковом с водонасыщенными породами росте VР под влиянием давления.

Воздействие флюида на изменения скорости продольной волны с глубиной в песчаниках показано на рис. 53. Если в атмосферных

условиях (I = ‘20° С, р = 1 кГ/см2) минимальное значение ур наблюдается в газонасыщенных (воздух) образцах, а максималь­ ное — в нефтенасыщенных, то при одновременном росте всесто­ роннего давления на скелет породы, давления на флюид и .темпе­ ратуры соотношение между у Р г , у Р н и у Р в претерпевает заметное

изменение. В термодинамических условиях, соответствующих глубинам 2—3 км скорость продольных волн для всех образцов независимо от типа насыщающего флюида почти совпадает. На глубинах 3—5 км соотношение между уРг, уРв и уРн противо­ положно относительно наблюдаемого в атмосферных условиях.

1 Г р ,П П /С В К

ад

Рис. 53. Изменение скорости

•V— нефтснасыщсниых.

Н,кп

Минимальное значение уР отмечается в нефтенасыщенных поро­

меньше, чем можно было бы ожидать при применении закона аддитивности. Это следует учитывать в случае акустических исследований в глубоких скважинах, а также при разработке методики выделения нефтенасыщенных и газонасыщенных пластов среди водонасыщенных отложений сейсмическими методами.

На основании анализа этих результатов совместно с данными, приведенными в предыдущих главах, следует, что закон аддитив­ ности для учета влияния давления и температуры справедлив для большинства осадочных горных пород, насыщенных аналогом пластовой воды. Ошибка по приближенным данным не превышает

± 5 % . Диапазон давления и температуры, где применение закона аддитивности обеспечивает указанную точность оценки термо­ динамических условий залегания, ограничивается глубинами 4— 5 км. На глубинах, превышающих 4—5 км, эффект совместного влияния всех термодинамических факторов на свойства пород отличается от эффекта, полученного путем суммирования воздей­ ствия отдельных факторов. Особенно заметно это различие для карбонатных пород, а также для низкопористых песчано-гли­ нистых пород с большим содержанием глинистого или карбонат­ ного цемента. Существенное различие в указанных значениях получается также для нефте- и газонасыщеиных пород при оценке

.влияния давления и температуры на скорость распространения упругих продольных волн.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эффективность геофизических методов исследования земной коры, поисков и разведки месторождении полезных ископаемых в значительной степени определяется знанием физико-геологи­ ческой обстановки района работ. Одним из способов изучения этой обстановки является всесторонний анализ физических свойств образцов горных пород в лабораторных условиях. Результаты анализа позволяют установить различие физических параметров отдельных геологических комплексов пород, обосновать возмож­ ность расчленения геологических отложений геофизическими мето­ дами и выявить роль отдельных комплексов пород в регистриру­ емых на поверхности или в скважине геофизических анома­ лиях.

Изложенные в настоящей работе результаты эксперименталь­ ных исследований показывают, что при изучении физических параметров осадочных пород в лаборатории с целью решения задач, указанных выше, необходимо учитывать термодинамиче­ ские условия естественного залегания пород. Зависимость физи­ ческих свойств пород от их состава, структуры и других особен­ ностей, а также закономерность распределения физических свойств пород по площади или с глубиной, выявленные без учета давления и температуры, не отражают истинные значения, свойственныепородам в естественном залегании. Только после внесения в лабо­ раторные данные соответствующих поправок на давление и темпе­ ратуру эти результаты могут быть использованы применительно-

кестественным условиям залегания.

Кчислу задач, при решении которых необходимо учесть ре­ зультаты, изложенные в настоящей работе, в первую очередьотносятся:

1) выявление закономерностей изменения параметров пород с глубиной и по площади для прогнозирования их распределения на различных участках и интервалах глубин;

2) оценка коллекторских свойств продуктивных отложений

иподсчет запасов полезных ископаемых;

3)составление геолого-геофизических разрезов районов исследования с целью выделения реперных горизонтов и границы раздела геологических отложений по физическим свойствам;

4) оценка литологического состава геологических объектов о помощью исследования зависимостей между физическими свой­ ствами пород, их составом и создаваемыми ими геофизическими полями;

5)изучение зависимостей между физическими свойствами пород для оценки параметрой, не доступных измерению прямыми методами;

6)изучение различий физических параметров, обусловленных содержанием разных по составу флюидов, для разработки физи­ ческих основ прямых методов поисков месторождении нефти и газа;

7) обоснование выбора комплекса геофизических методов и аппаратуры применительно к району исследований на основании оценки возможных различий физических параметров геологи­ ческих отложений на разных глубинах.

Приведенные в работе результаты указывают также на воз­ можность выявления ряда особенностей изменения физических свойств горных пород под действием давления и температуры, которые могут служить основой для разработки новых геолого­ геофизических методов исследования земной* коры, контроля за* напряженным состоянием массива, а также для выявления геологической предыстории развития региона.

К числу задач, при решении которых могут быть использованы выявленные особенности изменения физических параметров гор­ ных пород под действием давления и температуры, относятся следующие:

1)разработка методов прогнозирования землетрясений;

2)контроль за напряженным состоянием массива в горных выработках;

3)оценка пластовых давлений в депрессионных участках земной коры;

4)оценка палеотектоники района исследования;

5)выявление процессов формирования месторождений полезных

ископаемых, образование складчатых и разрывных структур

илокализация оруденения;

6)разработка теории механики горных пород и образования полезных ископаемых;

7) выявление закономерностей формирования подземных вод и гидродинамических систем.

Наиболее актуальными направлениями дальнейших исследова­ ний физических свойств осадочных горных пород в различных термодинамических, условиях являются, на наш взгляд, сле­ дующие:

1) исследование характера распределения физических пара­ метров горных пород в пределах локальных геологических струк­ тур различного типа, в частности, нефтегазоносных структур;

2) установление закономерностей изменения физических пара­ метров осадков при их искусственном уплотнении, имитиру­ ющем различные стадии диагенеза осадочных пород;

3)исследование фйзйчёских свойств пород в сложно-напря­ женном состоянии» имитирующем призабойную зону пласта;

4)изучение влияния фактора времени при нагрузках, т. е. устойчивость физических характеристик пород во времени.

Наряду с указанными основными направлениями работ иссле­ дования должны проводиться также в областях:

1)дальнейшего усовершенствования аппаратуры и методики изучения пород. Это относится как к портативным переносным установкам высокого, давления и температуры для массовых измерений физических свойств горных пород в условиях, ими­ тирующих естественное залегание, до глубин 3—5 км, так и к ла­ бораторным установкам, позволяющим создать термодинамические условия, соответствующие глубинам в несколько десятков кило­ метров;

2)расширения исследований комплекса физических пара­ метров пород, в первую очередь тех, которые характеризуют динамические особенности распространения упругих волн в по­ ристых средах, электромагнитные свойства пород, насыщенных различными растворами, параметры устойчивости физических характеристик к динамическим нагрузкам и др.;

3)изучения обратимых упругих изменений физических пара­ метров осадочных пород с трещинной пористостью;

4) изучения физических свойств осадочных горных пород со сложным распределением в породе отдельных фракций, в час­ тности, глинистых (контактное заполнение пор, прослойки я др.), анизотропией физических параметров и при различном содержании полезных ископаемых.

Детальное исследование физических свойств горных пород, при различных термодинамических условиях в дальнейшем не­ сомненно откроет новые возможности изучения геологического строения земной коры геофизическими методами и практического использования физико-механических характеристик пород. Эти характеристики, как известно, содержат ценные «закодированные» сведения о литолого-петрографических особенностях пород и тех геологических и физико-химических процессах, которые про­ изошли в разные геологические эпохи.

1.А в ч я и Г. М. О возможности оцснкп величины давлепия, воз­ действовавшего на горную породу. Докл. АН СССР, т. 170, № 2, 1966.

2.А в ч я н Г. М. н др. О методике комплексного определения физи­ ческих параметров пород при высоких давлениях. В сб. «Прикладная геофи­ зика», вып. 49. М., пзд-во «Недра», 1967.

3. А в ч я н Г. М. Физические свойства осадочных горных пород при высоких давлениях и температурах. В кн. «Физические свойства осадоч­ ного покрова территории СССР». М., изд-во «Недра», 1967.

4. А в ч я н Г. М. Влияние всестороннего давления до 8000 кПслг на различные виды остаточной иамагпичеппостн горных пород. Изв. АН

СССР, серия «Физика Земли», 1967, № 7.

5. А в ч я н Г. М., М а т в е е и к о А. А. Влияние пасыщающей жидкости па скорость распространения продольных волн в осадочных поро­ дах при высоких давлениях и температурах. Изв. АН СССР, серия «Физика

па скорость распространения упругих волп в горных породах. В сб. «Мето­ дика, техника и результаты геофизической разведки». М., пзд-во «Недра», 1967.

7.А в ч я н Г. М. и др. Влияние пластового давления на физические свойства песчаников. В сб. «Разведочная геофизика», вып. 26. М., пзд-во «Недра», 1968.

8.А в ч я н Г. М., М а т в е е н к о А. А. Влияние давленияп темпера­ туры на физические свойства осадочных горных пород, насыщенных жид­ костью. В сб. «Физико-механические свойства горных пород в верхней части земной коры». М., пзд-во «Наука», 1968.

9. А в ч я н Г. М., О з е р е к а я М. Л. Закономерность уплотнения осадочных горных пород с глубиной. Изв. АН СССР, серия геол. 1968, № 2.

10.А в ч я н Г. М. и др. Деформация осадочных горных пород в усло­ виях высоких давлении и температур. Тезисы докл. VI сессии науч. совета по тектонике Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск, Ип-т геологии и гео­ физики СО АН СССР. Ротапринт, 1968.

11.А в ч я н Г. М. и др. Влпяпие всестороннего давления на физиче­ ские свойства песчапнков. В сб. «Прикладная геофизика», вып. 55. М., пзд-во «Недра», 1969.

12.А м и к с Дж. и др. Физика нефтяного пласта. М., Гостоптехпздат,

1962.

13. А н а н я н А. А. О плотности связанной воды в горных породах

ипочвах. В сб. «Мерзлотные исследования», вып. IV. М., изд-во МГУ, 1964.

14.А н и к е е в К. А. Аномальпо высокие пластовые давления в неф­ тяных и газовых месторождениях. Тр. ВНИГРИ, вып. 293, Л., изд-во «Недра», 1964.

15.А н т о н о в Д. А. Экспериментальное определение коэффициента сжимаемости песчаников. Тр. УфНИИ. вып. 2. М., Гостоптехпздат, 1957.

носительное сопротивление горных пород. В сб. «Разведочная геофизика», вып. 14. М., изд-во «Недра», 1966.

19.Б р и д ж м е п П. В. Физика высоких давлений. М., ОНТИ, 1935.

20.В а с с о е в и ч Н. Б. Опыт построения типовой кривой гравита­

ционного уплотнения глинистых осадков. «Новости нефтяной техникп», -серия геол., 1960, № 4.

21. В о л а р о в и ч М. П. Исследование физических свойств горных пород при высоких давлениях и температурах. Тр. ИФЗ, № 37, М., пзд-во «Наука», 1966.