книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

вого или фарфорового цилиндра, в цилиндрическое отверстие которого помещается эталон сопротивления с номинальным сопро­ тивлением 150—300 ом, припаянным к электродам. Поскольку при установке эбонитового или фарфорового цилиндра с электро­ дами в резиновый манжет эталонное сопротивление не подвер­ гается сжатию, повышение давления не должно изменять вели­ чину измеряемого сопротивления. В случае наличия в цепи сопро­ тивлении, изменяющихся от воздействия давления, можно рас­ считать величину поправки. Применяемые в установке изоляторы и резиновый манжет с начальным сопротивлением более 50 Мом практически не влияют на результаты измерения сопротивления образцов до давления 3000 кГ/см2.

Для уменьшения влияния сопротивления, возникающего на контакте электрод — образец, используются пластинки из нержа­ веющей стали, торцевая поверхность которых покрыта гальвани­ ческим серебром с подслоем меди. Исследования, проведенные с такими электродами при изменении частоты от 50 до 20 000 гц, показали почти полное отсутствие дисперсии сопротивления ( ~ 4—5%). Хорошая сходимость результатов получается также при измерении сопротивления образцов различной длины. В слу­ чае использования других типов электродов — пластинки из нержавеющей стали с отполированной поверхностью или обрабо­ танные током частотой 50 гц в 2н. нормальном растворе [55, 66], наблюдается изменение сопротивления более чем на 50% при изменении частоты от 50 до 20 000 гц.

При отсутствии поправок за проводимость системы удельное электрическое сопротивление образца рп вычисляется по формуле

Более сложным является определение поправки за сжимае­ мость системы и флюида. Поправка за сжимаемость системы при пластовом давлении, равном атмосферному, находится также с помощью термообработанного металлического эталона. На каж­ дой ступени давления отмечается количество жидкости Ат, поступающее в капиллярные трубки. Регистрация Ат проводится после предварительного обжатия эталона до 50 кГ/см2 с целью вытеснения жидкости, находящейся между резиновым манжетом и эталоном.

Величина уменьшения объема пор образца горной породы опре­

где т — общее количество вытесненной жидкости; Ат — пс-^ правка за сжимаемость системы; с — цена деления капилляров в см9.

Изменение объема пор образца под действием внешнего давле­ ния при наличии порового давления (р1 = сопз1 0) опреде­ ляется двумя способами. Сжатие порового объема образца приво­ дит к повышению порового давления. Если учесть, что сжимае­ мость порбвой жидкости колеблется в пределах (0,3—0,5) х X 10“4 см2/кГ [68], норовое пространство образца имеет средний объем 2—3 см3, объем жидкости манометров составляет 8—10 см3, а объем капилляров можно выбрать не более 1 см3, то изменение

по манометрам. Поскольку нас интересует значение пористости при постоянном поровом давлении, то необходимо снизить р1 до заданного значения. Количество жидкости, выделенное из системы в капилляры, при понижении р1 до первоначального значения будет пропорционально уменьшенному объему пор с учетом сжимаемости жидкости и капилляров. В случае приме­ нения измерительного цилиндра (рис. 9) поровое давление сни­ жается выводом калиброванного по объему поршня из измери­ тельного цилиндра. Необходимость учета сжимаемости жидкости в данном способе отпадает.

Сжимаемость жидкости и капилляров, которую необходимо учесть при оценке изменения объема пор под действием порового давления, можно получить посправочным данным [19, 68] или же путем эталонирования установки без образца. В последнем случае эталон изготовляется из термообработанной стали в виде стержня с внутренним отверстием известного объема. Суммарный объем системы и сжимаемость жидкости определяются по кривым зависимости прироста пластового давления от объема стержня,

где Уп — объем пор образца; бт и 6Ж— соответственно минера­ логическая плотность породы и жидкости.

При выводе уравнения (9 ) и (10) предполагается, что измене­ ние плотности твердой фазы пород мало и им можно пренебречь.

Коэффициент сжимаемости пор вычисляется по данным изме­ нения объема пор

Выбор ступени изменения давления и температуры, а также времени выдержки образца при заданных давлении и темпера-

туре имеет важное значение при изучении влияния давления

итемпературы на физические параметры горных пород. Поскольку максимальные изменения физических параметров пород проис­ ходят при повышении давления до 500—700 кГ/см3, то в этом диапазоне ступень изменения давления принимается минималь­ ной. Минимальная ступень используется также в диапазоне давле­ ний, где наблюдаются высокие градиенты изменения физического параметра, чтобы обеспечить равномерную скорость деформации

ине вносить больших искажений в измеряемый параметр в случае

также учесть диапазон возможных упругих деформаций пород, снизив значение ступени при напряжениях, близких к разруша­ ющим.

Одной из особенностей методики изучения физических пара­ метров пород при изменении давления является определение необходимого времени выдержки образца при постоянном давле­ нии. Как известно, после достижения условия ре = соп51, дефор­ мация образца, т. е. изменение физических параметров пород, продолжается. По данным Л. И. Орлова [62], деформация у слабо­ проницаемых водонасыщенпых известняков при давлениях 300— 400 кГ/см2 продолжается иногда в течение 15—20 ц. При изучении удельного электрического сопротивления высокопроницаемых раз­ ностей осадочных пород [36, 51, 55] изменение сопротивления при р с = сопзЬ прекращалось через 20—30 мин.

Исследование кривых кинетики пород различного минералоги­ ческого состава в разных диапазонах давлении показало связь времени стабилизации деформации с составом. Минимальное время стабилизации наблюдается для чистых кварцевых песча­ ников. С увеличением количества пластических минералов в по­ роде продолжительность изменения физических параметров увели­ чивается. Время стабилизации определяется также диапазоном давлений; при малых давлениях стабилизация наступает за более короткое время, чем при высоких давлениях. Для некоторых пород (кварцевые песчаники, алевролиты и др.) увеличению вре­ мени стабилизации при высоких давлениях предшествует область давлений, 4где скорость деформации уменьшается с увеличением нагрузки.

Изменение физических параметров во времени при постоянных напряжении и температуре является следствием пластического течения, упругого последствия и фильтрационной вязкости [2, 17, 73, 74]. Зависимость,изменения деформации норового простран­ ства пород от времени при постоянных нагрузках для песча­ ника приведена на рис. 10. Как видно, равновесная упругая деформация состоит из двух слагаемых: условно-мгновенной дефор­ мации, практически проходящей в течение нескольких секунд, и деформаций упругого последействия, завершающейся в период времени от 30 мин до нескольких часов. Доля последейственной

проницаемостью продолжительность разгрузки порового давления должна быть значительно больше, чем у высокопрошщаемых. При этом, если учесть, что значения физических параметров пород определяются соотношением ре/р1 [3, 7, 105], то изменения Рт йп и других параметров во времени (при р е = соп81), по-видимому, также должпы определяться проницаемостью образца. С понижением давления поры расширяются рг заполне­

ние пор жидкостью у пород с низкой проницаемостью происходит медленнее, чем у высокопроницаемых. Следовательно, изменение физических параметров образца во времени также будет происхо­ дить медленнее у пизкопроницаемых пород, чем у высокопрони­ цаемых.

Деформация осадочных горных пород в условиях высоких давлений и температур может быть упругой и остаточной. В пер­ вой области, где давление и температура минимальны, обеспечи­ вается достаточно хорошая воспроизводимость результатов как при нагрузке — разгрузке образцов породы, так и при повтор­ ных циклических нагружениях. Во второй области, т. е. при более высоких давлении и температуре, происходят необратимые изменения физических свойств пород, связанные с разрушением связей между зернами, а также с пластическим течением вещества скелета. В этом случае циклические изменения приводят к доста­ точно большим остаточным явлениям, к тому же в сильной сте­ пени зависящих от продолжительности приложения нагрузки.

Критические значения давлений и температур, превышение которых приводит к необратимым изменениям физических свойств, зависят от «истории» нагружения породы, характера связи пласти­ ческого материала (жесткие, пластические и т. п.) и механических свойств цементирующего вещества (прочность на сжатие, пластич­ ность и др.). Граница раздела упругих деформаций от необрати­ мых изменений для ряда пород характеризует вероятные термо­ динамические условия, существовавшие в процессе диагенеза породы. Чем большим напряжениям подвергалась порода в про­ цессе диагенеза, тем значительнее область упругих изменений. Это явление установлено для пород, как подвергшихся уплотне­ нию в естественных условиях, так и предварительно нагружен­ ных в лаборатории контрольным давлением [1].

Влияние предыдущего нагружения породы на изменение объема порового пространства, изученное на образцах песчаников

8000 кГ/см2. Время «отдыха» между циклами менялось от несколь­ ких дней до одного месяца. Как видно из рис. 11, при втором

2б00 кГ/см2, действовавшем на образец в первом цикле. При про­ ведении третьего цикла нагружения до 8000 кГ/см2 излом кривой отмечается при давлении 5000 кГ/см2, равном максимальному

давлению, воздействовавшему на образец во втором цикле на­ грузки — разгрузки.

Необратимые изменения физических свойств пород, кроме сдвиговых деформаций, возникающих в зонах контактов породо­ образующих минералов, связаны также и с пластическим тече­ нием породы, в первую очередь с течением пластического цементи­ рующего вещества. Исследование различных образцов показало, что скорость пластического течения также определяется «исто­ рией» нагружения породы. В упругой области кривые изменения

физических параметров стремятся к постоянному значению (скорость дефор­ мации уменьшается до ну­ ля), тогда как при высо­ ких давлениях, превыша­ ющих максимальные, воз­ действовавшие на породу, скорость деформаций стре­ мится к постоянному зна­

и 1000 кГ/см2; * = до250°С) также показало наличие областей с монотонным обратимым изме­ нением физических параметров горных пород и необратимым. Таким образом, время стабилизации физического параметра при постоянных давлении и температуре и в связи с этим продол­ жительность исследований являются функцией состава, строения и геологической «предыстории» породы и должны быть определены для каждой породы отдельно. С другой стороны, время стабили­ зации может быть критерием вида деформации пород и использо­ ваться для их характеристики. Причины изменения физических параметров во времени должны определить не только время стабилизации, но и величину гистерезиса. Действительно макси­ мальная величина гистерезиса по данным Г. М. Авчяна, В. М. До­ брынина и др. [И , 36] наблюдается у низкопроницаемых песча­ ников и известняков с большим значением времени стабилизации и определяется диапазоном нагрузки.

При пластическом течении, свойственном высокоглинистым породам, ширина петли гистерезиса намного больше, чем при упру­ гом гистерезисе. В последнем случае с течением времени (исчисля­ емого иногда сутками) петля гистерезиса замыкается, тогда как при пластической деформации кривые нагрузка — разгрузка остаются незамкнутыми. Более того, в ряде случаев значение

физических параметров при разгрузке становится меньше, чем при нагрузке. Для осадочных пород характерно также возраста­ ние различия между значениями физических параметров при нагрузке и разгрузке с увеличением относительного изменения параметра от давления.

Поскольку причиной наблюдаемых расхождении параметров при нагрузке и разгрузке может быть не только упругий гистере­ зис, т. е. отставание деформации от роста нагрузки, то способ сокращения времени, необходимого на завершение упругих дефор­ маций, путем расчетов средних арифметических значений^ измеря­

С целью исключения остаточных деформаций при исследовании характера зависимости физических параметров пород от давления также рекомендуется использовать [91, 92, 101, 102] кривые вто­ рого пли последующих циклов, так как при первом цикле часто возникают значительные остаточные деформации, обусловленные условиями отбора, обработки и хранения породы.

В работе [101] рекомендуется использовать результаты, полу­ ченные только при разгрузке породы. Этот способ исследования пород, по-видимому, приемлем при изучении чисто упругих деформаций в определенном диапазоне давлений. Осадочные гор­ ные породы, обладающие различны^ видами связен между обло­ мочными зернами и разными механическими характеристиками цементирующего вещества, при вторичном и последующих цик­ лах нагружения будут характеризоваться новыми структурными особенностями, отличающимися от начального состояния породы. Задача исследования физических свойств пород при высоких давлениях и температурах сводится именно к нахождению зави­ симостей между физическими параметрами пород и теми их лито- лого-петрографическими особенностями, которые изменяются под действием давления и температуры. Между тем, эти особенности изменения свойств пород под действием давления и температуры, в дальнейшем используемые для установления характера уплот­ нения пород с глубиной, более четко проявляются при первом цикле нагружения. Поэтому, анализируя результаты исследова­ ний пород при высоких давлениях и температурах, следует обра­ тить особое внимание на данные первого цикла нагрузки и роста, температуры.

При анализе экспериментальных результатов почти всеавторы исходят из закономерного изменения параметра от давле­ ния. Такая интерпретация результатов зачастую приводит к выво­ дам, противоречащим физической сущности измеряемого пара­ метра. Причиной этого, на наш взгляд, является пренебрежениевозникающими в породе в определенном диапазоне давлений раз­ личными видами деформаций, нарушающих общий ход кривой зависимости параметра от давления и температуры. В зависимости от начального состояния породы в ней могут возникать наряду

с упругими деформациями пластические в одном и том же диапа­ зоне давлений. В этом случае на кривых изменения параметра от роста давления должны наблюдаться скачки, приуроченные к участкам резкого изменения структуры породы. Наличие скач­ ков обусловлено специфической особенностью пластической дефор­

мации пород, проявля­ ющейся в разрушении свя­ зи между зернами и це­ ментирующим материалом.

В новом состоянии порода, естественно, об­ ладает другими свойства­ ми, отличающимися от предыдущих не только количественно, но и каче­ ственно. Для ряда пара­ метров новые их значения могут быть как больше предыдущих, так и мень­ ше. При дальнейшем по­ вышении давления изме­ нение параметра может идти по тем же законам, что и в предыдущем диа­ пазоне давлений. Как видно из рис. 12, с увели­ чением давления измеря­ емые параметры (сжимае­ мость, пористость, ско­ рость упругих ВОЛН II Д р .) закономерно уменьшаются или увеличиваются (уча­ сток 1). При некоторых

значениях давлений (рЛ, р е, 2 ит . п.) породы приобретают новое структурное состояние за счет повышения микротрещиноватости и ослабления связей. Дальнейший рост давления вызывает энер­ гетически лучшую переупаковку зерен и уплотнение породы. Сле­ довательно, такие физические параметры, как скорость упругих

закрытия образовавшихся микротрещин и переупаковки зерен скорость роста этих параметров в диапазоне р с1 — рс2, должна резко возрастать.- Сжимаемость пор при увеличении давления более р е1 возрастает по сравнению со значением (}п при ре0. Таким образом, можно сформулировать положение об уплотнении пород следующим образом: уплотнение пород под действием давления (с глубиной) происходит непрерывно-прерывистыми циклами

упругих, пластических и разрушающих деформаций, соответ­ ственно отражающихся на значениях физических параметров скач­ кообразными изменениями при непрерывном росте (понижении) параметров с глубиной.

Это положение подтверждается детальной регистрацией изме­ нения параметров с ростом прилагаемого давления. Эксперимен­ тальные данные характера изменения объема пор, сжимаемости

Рис. 13. Изменение удельного электрического сопротивления (2), скорости распространения продольной волны (2), объема (<3) и сжимаемости пор (4} под действием всестороннего давления. Песчаник с глпнпсто-кремнистьш иемептом, кп = 11 °/ т| = 0,3.

пор, скорости распространения продольной упругой волны и удельного электрического сопротивления приведены на рис. 13. Все параметры измерялись одновременно. Как следует из приве­ денных данных, при давлениях 200—250 и 500—750 кГ/см2 ско­ рость изменения физических параметров постепенно уменьшается. В диапазоне давлений 250—350 и 750—1000 кГ/см2 снова наблю­ дается повышение скорости роста с последующим понижением. При дальнейшем росте нагрузки процесс повторяется. Примеча­ тельно, что скачки четко проявляются в одинаковых диапазонах давлений на всех измеряемых параметрах. При этом максималь­ ная амплитуда скачка характерна для скорости распространения