книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

Физические свойства осадочных пород при вы­ соких давлениях и температурах. Авчян Г . М . М., пзд-во «Недра», 1972, стр. 144.

В работе изложены результаты эксперимен­ тальных исследований влияния всестороннего дав­ ления до 2500 кГ/см2, пластового давления до 1000 кГ/см2 и температуры до 250° С на физиче­ ские свойства осадочных горных пород, пасыщенпых различными флюидами. Наряду с описанием установок высокого давления и температуры при­ водится методика одновременного измерения ком­ плекса физических параметров изучаемых пород в различных термодинамических условиях. Полу­ ченные результаты позволяют учесть упругие изменения физических свойств осадочных пород при изъятии их из естественного залегания, уста­ новить различие в характеристиках пород разного состава при высоких давлениях и температурах и выявить физическую природу наблюдаемых закономерностей изменения свойств пород под дей­ ствием давления и температуры.

Таблиц 21, иллюстраций 53, в списке литера­ туры 112 названий.

2—9—5 116—72

Авчян Генрих Месропович

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ПОРОД ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ

Редактор издательства Ф. Н. Чумакова. Технический редактор Л. Г. Лаврентьева

Корректор Г . Г. Большова

Издательство «Недра». Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19.

Ленинградская типография Л'Ь 14 «Красный Печатник» Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР. Московский пр., 91.

ВВЕДЕНИЕ

Физическими свойствами горных пород следует именовать способность горных пород взаимодействовать с внешними физиче­ скими полями, или способность породы создавать самостоятельно либо под действием внешних физических полей собственное физи­ ческое поле. Известно, что геофизические методы исследования земной коры служат для изучения и анализа физических полей, источником которых являются горные породы. Поэтому знание физических свойств горных пород необходимо для интерпретации результатов наземных и воздушных геофизических работ, про­ водимых как с целью изучения глубинного геологического строе­ ния земной коры, так и для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Одновременно физические свойства гор­ ных пород дают дополнительные объективные, сведения о составе, структуре и геологической истории пород, являются достовер­ ным источником информации о процессах, происходивших в раз­ личные геологические эпохи, дают представление об условиях образования пород, служат параметром для стратиграфической корреляции геологических отложений и могут являться одной их характеристик при диагностике, классификации и определе­ нии относительного возраста пород.

Основная цель изучения физических свойств пород в разведоч­ ной геофизике — обоснование физических основ применимости геофизических методов разведки при решении данной геологиче­ ской задачи и нахождение объективных количественных харак­ теристик для правильной геологической интерпретации получен­ ных результатов. Детальное изучение физических свойств пород позволяет выявить опорные горизонты для различных геофизиче­ ских методов, влияние разных стратиграфических элементов изучаемых разрезов на физические поля, коллекторские способ­ ности продуктивных нефтегазоносных горизонтов, закономер­ ности изменения пород в зависимости от характера осадконакопления и т. п.

Практическая значимость физических свойств горных пород, естественно, вызвала стремление попять их природу и выявить основные закономерности взаимозависимости свойств горных пород с физическими полями, изучаемыми на земной поверхности,

в скважинах и шахтах. В связи с этим все более четко начинает оформляться самостоятельное направление по исследованию физи­ ческих свойств горных пород, составляющее одну из важнейших отраслей геологии — петрофизику.

Несмотря на распространенность исследований физических свойств горных пород, практическое применение полученных результатов часто ограничено ввиду недостаточного учета условий естественного залегания изучаемых образцов пород. Сопоставле­ ния данных лабораторных исследований на образцах с резуль­ татами изучения физических характеристик геологических отло­ жений 1п зНи показали существенное различие как в значениях

изучаемых параметров, так и в закономерностях их простран­ ственного распределения. Одной из причин указанного различия является несоответствие термодинамических условий измерения физических параметров пород в лаборатории с ^условиями в есте­ ственном залегании.

Первые исследования, проведенные в 30-х годах нашего столе­

исследования, а также ограниченность глубинности геофизиче­ ских методов разведки отодвинули на более поздний срок деталь­ ное изучение этого вопроса. Шире исследование физических свойств пород при различных давлениях и температурах с целью выяснения закономерностей их изменения с глубиной и устано­ вления связи этих изменений с литолого-петрографическими характеристиками пород было начато в связи с возникшей необ­ ходимостью всестороннего изучения глубинного строения земной коры и поисков новых месторождений нефти и газа па больших глубинах (до 5—7 км). Вслед за В. Цисманом, Ф. Берчем п Д. Банкрофтом на основании достигнутых успехов в области физики высоких давлений и, в частности, по разработке устано­ вок высокого давления и температур (П. Бриджман) начали проводить детальное изучение горных пород при высоких давле­

и температуры на физические свойства горных пород были начаты М. П. Воларовичем с учениками (акустические и электрические свойства магматических и метаморфических пород), Л. А. Шрейнером совместно с Н. Н. Павловой, Б. В. Байдюк и др. (меха­ нические свойства) и В. М. Добрыниным (коллектора нефти и газа). Большой вклад в разработку методики исследования и выявления ряда особенностей деформации пород внесли работы

Л. М. Марморштейна, Л. И. Орлова, И. Ф. Глумова, Р. С. Гимаева, Т. Б. Дахкильгова, В. Ф. Индутного, Я. Р. Морозовича,

Л. П. Петрова, 10. Б. Меклера и других по изучению коллектор­ ских свойств осадочных пород, Э. И. Пархоменко, А. Т. Бонда­

ренко, У. М. Моисеенко — электрических свойств, 10. В. Ризниченко, О. И. Силаевой, Е. И. Баюк, 3. И. Стаховской, Г. И. Петкевича и Т. 3. Вербицкого — упругих свойств.

Придавая большое научное и практическое значение вопросу исследования влияния давления и температуры на физические свойства пород, во многих зарубежных странах (США, Япония, ФРГ, Франция идр .) также проводятся многочисленные теорети­ ческие и экспериментальные работы. Из них следует особо отме­ тить работы Ч. Карпентера и Г. Спенсера, И. Фетта, М. Вайли,

А.Грегори, А. Гарднера, Е. Гассмана, С. Гренвиля, М. Кинга,

И.Гиртсма, Р. Манна, М. Био, Ж. Ладефру, Т. Нагата и дру­ гих, внесших большой вклад как в теорию деформации пористых

имногофазных сред, так и в оценку степени изменения физиче­

ских параметров пород под действием давления и темпе­ ратуры.

Первые результаты экспериментальных и теоретических иссле­ дований физических свойств осадочных пород при всестороннем сжатии были обобщены В. М. Добрыниным [35, 36]. Им были установлены вероятные пределы изменения физических парамет­ ров осадочных пород в зависимости от давления, соответству­ ющего глубинам до 5—7 км, и рекомендован ряд теоретических уравнений, связывающих изменение физических параметров под действием всестороннего сжатия с коэффициентом сжимаемости пор и относительной гл ини сто стью породы. Рассмотренные в ра­ ботах В. М. Добрынина [35, 36] принципиальные основы изуче­ ния физических свойств горных пород при высоких давлениях и температурах позволили в дальнейшем перейти от разрознен­ ных исследований в этой области к планомерному, всестороннему исследованию влияния термодинамических условий на физиче­ ские свойства пород. Такое всестороннее исследование может способствовать повышению геологической эффективности геофи­ зических работ, позволит учесть пластовые условия залегания пород при оценке их гидродинамических характеристик и под­ счете запасов нефти и уточнить решение многих геолого-геофизи­ ческих задач.

С 1961 г. работы по изучению влияния термодинамических условий на физические свойства пород были начаты во Всесоюз­ ном научно-исследовательском институте геофизических методов разведки (ВНИИГеофизике) под руководством и при участии автора. Основной целью этих исследований является повышение геологической эффективности интерпретации результатов гео­ физических работ, путем учета влияния термодинамических условий залегания пород на их* физические параметры. Одновре­ менно указанные исследования позволяют установить различие в физических параметрах пород на больших глубинах, давая возможность прогнозировать эффективность применения совре­ менной геофизической аппаратуры и наметить пути дальнейшего развития методов разведки.

В отличие от предыдущих работ экспериментальные исследо­ вания различных физических свойств проводились одновременно на одних и тех же образцах не только при раздельном влиянии термодинамических факторов, но и при совокупном их воздей­ ствии. Это обеспечило изучение физических свойств пород в усло­

на скорость упругих продольных, волн, удельное электрическое сопротивление, плотность, пористость и сжимаемость осадочных пород, насыщенных аналогом пластовых вод разной концентра­ ции, нефтью и газом, а также влияния всестороннего давления до 8000 кГ/см2 на остаточную, намагниченность. Исследования проводились как при раздельном воздействии указанных факто­ ров, так и при совместном. Характерные особенности изменения физических параметров пород при воздействии давления и тем­ пературы проанализированы в зависимости от их литолого-петро- графического состава, насыщающего флюида, структуры и ком­ плекса физико-химических факторов, обусловливающих физиче­ ское состояние пород в лабораторных условиях = 20° С, р = = 1 кГ/см2). При анализе результатов экспериментальных иссле­ дований автор ставил задачу выявить основные закономерности обратимых изменений важнейших физических свойств осадочных

на физические свойства пород при интерпретации данных геофи­ зических методов разведки.

Значительное внимание уделено рассмотрению физической природы наблюдаемых закономерностей изменения свойств пород под действием давления и температуры. Анализируется также различие в характеристиках пород разного состава на больших глубинах. Кроме того, приведены некоторые теоретические исследования деформации пористых сред, объясняющие наблюда­ емые изменения физических свойств осадочных пород под дейст­ вием механических напряжений. Полученные в результате экспе­ риментальных определений пределы возможных упругих изме­ нений физических свойств осадочных пород представлены в виде графиков, номограмм и таблиц.

Поскольку одним из важнейших этапов исследований влияния давления и температуры на физические свойства пород является разработка соответствующей аппаратуры и методики измерений, в монографии также рассмотрены некоторые специфические усло­ вия и технические характеристики установок высокого давления и температуры, обеспечивающие измерение свойств пород в раз­ личных термодинамических условиях. Приведено описание уста­ новок, применяемых в настоящее время в различных организа­ циях Советского Союза, в частности, установки УФС, разработан­

ной во ВНИИГеофизике, и методики одновременного измерения нескольких физических параметров пород в идентичных термоди­ намических условиях.

Приведенные в работе материалы не претендуют на полноту освещения всего вопроса влияния термодинамических условий залегания на физические свойства осадочных пород. По мере накопления новых экспериментальных данных для пород, разно­ образных по составу, структуре и геологической истории, рас­ смотренные результаты, безусловно, будут уточняться и тем самым обогащать наши знания по изучаемой сложной проблеме, имеющей большое научное и практическое значение.

В заключение автор считает приятным долгом выразить глубо­ кую благодарность М. Л. Озерской за тщательный просмотр рукописи и цепные замечания, а также коллективу лаборатории физических свойств горных пород ВНИИГеофизики, непосред­ ственно участвовавшему в выполнении экспериментальных иссле­ дований и оформлении работы: Н. М. Королевой, Э. А. Скворцо­ вой, А. О. Аксенову, Б. А. Дрожжину, В. Г. Рябову, А. Я. Лукашкиной и др.

Автор выражает глубокую признательность В. М. Добрынину и Н. Б. Дортман за ценные советы и критические замечания, которые были учтены при подготовке рукописи к изданию.

Раздел 1 главы V написан совместно с А. А. Матвеенко, раз­ дел 2 главы VII — со 3. Б. Стефанкевичем.

Книга рассчитана на широкий круг геологов, геофизиков, гидрогеологов, а также специалистов смежных отраслей, которые используют характеристики осадочных горных пород в различ­ ных термодинамических условиях.

Глава I

УСТАНОВКИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ В ИХ ЕСТЕСТВЕННОМ ЗАЛЕГАНИИ

Горные породы на больших глубинах испытывают действие сил, вызванных различными физико-химическими процессами. К ним относятся: вес вышележащих отложений, силы, связанные с тектоническими процессами, силы, возникающие вследствие химического взаимодействия вод и пород и др. На физическое состояние пород существенное влияние также оказывает темпера­ тура, возрастающая с увеличением глубины залегания пород.

Характер процессов образования и физико-химического пре­ вращения осадочных горных пород, вес вышележащих пород, тип, интенсивность и продолжительность тектонических про­ цессов, а также механические свойства самих пород .предопреде­ ляют суммарное напряжение в пласте или массиве [37, 78]. Это суммарное напряжение, называемое горным давлением (рг), складывается из двух компонент — вертикальной рГв и горизон­ тальной р гг, часто именуемых полным и боковым давлением.

При известной мощности Н и плотности сг каждого слоя вер­ тикальная компонента горного давления вычисляется из урав­

нения

п

Это уравнение, по-существу, выражает геостатическое давле­ ние ргео [78].

Значение бокового горного давления определяется величиной вертикальной компоненты давления, коэффициентом Пуассона пород и их реологическими свойствами. Коэффициент пропорцио­ нальности а между вертикальной и горизонтальной составляющи­ ми горного давления устанавливается обычно эксперименталь­ ным путем. Для прочных песчаников значения а могут доходить

гических регионов перемещаются, нарушая равновесное напря­ женное состояние пород. Напряжение (давление), образующееся в слоях в результате непрерывно-прерывистых тектонических процессов, называется геотектоническим (р7) [78].

Внастоящее время для определения суммарного напряжения

вмассиве, или тектонических сил в нем все чаще применяются способы, основанные на зависимости физических параметров пород от их напряженного состояния. В частности, широко обсуж­ даются методы оценки напряженного состояния массива или тектонических сил путем изучения поведения намагниченности пород во времени, изменения скорости распространения упругих волн в массиве и т. д.

Для областей с различными тектоническими предысториями характер изменения с глубиной таких параметров как плотность, пористость и других во многом обусловлен тектоническими силами. Это дает возможность путем сравнения характера изменения одного и того же физического параметра с глубиной для литологи­

Для осадочных горных пород одним из важнейших факторовг определяющих их физические свойства в естественном залегании, является пластовое давление. Пластовым рпл давлением назы­ вается внутреннее давление, возникающее в поровом простран­ стве осадочных пород, проявляющееся при вскрытии нефтенос­ ных, газоносных и водоносных пластов [78]. Часто проводят соответствие между начальным пластовым давлением и гидроста­ тическим ргп давлением, т. е. давлением столба воды, равного по высоте глубине залегания пласта от поверхности. В этом слу­ чае неоправданно исключаются факторы, обусловливающие воз­ никновение в порах породы пластового давления [78]. Причина образования и изменения пластовых давлений заключается не только в различной глубине залегания пластов. Образованно пластового давления, согласно Б. А. Тхостову [78], является результатом всего геологического развития участка исследова­ ния, т. е. определяется комплексом природных факторов, к кото­ рым относятся геостатическое, геотектоническое и гидростатиче­ ское давления, степень сообщаемое™ между пластами, химическое взаимодействие вод и пород, вторичные явления цементации пори­ стых проницаемых пластов и др.

Ввиду сложности определения величины истинного пластовогодавления, вместо него обычно используют значения забойного давления в скважине, вскрывшей пласт, не подвергавшийся еще разработке. Измерение в этом случае проводится лишь тогда, когда в скважине установится статический уровень жидкости.

Таким образом, осадочные горные породы в естественном зале­ гании под действием различных по природе сил находятся в слож­ но-напряженном состоянии. Основными давлениями можно считать геостатическое и пластовое.

При исследовании горных пород в лабораторных условиях не всегда удается полностью воспроизвести сложно-напряженное состояние породы. Это объясняется не техническими причинами, а в основном отсутствием точных сведений о величине и характере давлений, действующих в естественном залегании породы.

В лабораторных условиях исследования проводятся при раз­ ных соотношениях осевого и бокового давлений для различных значений коэффициента а [35, 51]. Во многих случаях коэффи­ циент а принимается равным единице, т. е. породы исследуются под действием сил, равномерно действующих по всей поверх­ ности образца, называемых всесторонним давлением (ре).

Воспроизведение пластового давления в лабораторной прак­ тике осуществляется путем раздельного воздействия давления на флюид, заполняющий норовое пространство породы, незави­ симо от давления на внешнюю поверхность породы, находящуюся в непроницаемой оболочке. Некоторые исследователи это давление называют.норовым или внутренним (внутрипоровым) р ( [36, 51, 54, 92, 94].

Для упрощения методики исследований в ряде случаев пред­ полагается, что порода находится под действием внешнего (все­

поровое пространство породы, соответствующего гидростатиче­ ского давления. Несомненно, это предположение исключает ряд особенностей деформации пород в естественном залегании. Однако на первой стадии исследований' при отсутствии точных сведений о характере сложно-напряженного состояния пород данное пред­ положение можно считать справедливым, поскольку эксперимен­ тально показан весьма близкий характер деформации при всесто­ роннем и сложно-напряженном (осевое + боковое, квазивсестороннее и др.) состояниях [52, 76].

Предполагая, что порода испытывает действие внешнего (всесто­ роннего) и внутреннего (норового) давлений, эффективное (резуль­

где п — коэффициент разгрузки, характеризующий долю порового давления на изменение данного физического параметра пород (безразмерен).

В ряде случаев из-за трудности оценки величины коэффициента разгрузки п пользуются дифференциальным давлением р й, явля­ ющимся частным случаем эффективного давления при п — 1.

Как отмечалось, геостатическое давление можно вычислить как сумму произведений мощности вышележащих отложений