книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

теоретически рассчитать максимальное напряжение на жидкость при деформации неглинистой однородной пористой среды [36у 108]. В условиях, когда изменение объема жидкости и пор экви­ валентны,

где Уж и Рж — соответственно объем и сжимаемость жидкости. Используя уравнение (31), получим

Величина йре/с1рс показывает соотношение распределения напряжения в скелете и жидкости и, согласно уравнению (63),. определяется коэффициентом пористости, типом флюида и упру­ гими характеристиками пород. Полная объемная сжимаемость пористой «закрытой» среды рз также определяется пористостью, объемной сжимаемостью скелета, пор и жидкости

Первые экспериментальные исследования сжимаемости оса­ дочных пород в основном коллекторов нефти и газа, проведенные?

[16], показали большую роль сжимаемости норового объема среди параметров, характеризующих деформацию пород. При оп­ ределенном давлении сжимаемость норового объема для разных пород различается более, чем в 4—5 раз [51], и превышает по ве­ личине сжимаемость твердой фазы более, чем на два порядка. При этом рп является функцией давления и с увеличением давле­ ния уменьшается. По мере уменьшения отсортированности и повы­ шения содержания цемента сжимаемость пор увеличивается.. Исследование сжимаемости 11 образцов девонских песчаников, одного из Туймазинских нефтяных месторождений показало довольно хорошую выдержанность значения рп п° площади..

X. Холл [97] на основании изучения четырех образцов песча­ ников и пяти образцов известняков предположил наличие корреля­ ционной зависимости между сжимаемостью пород и их пористостью.

и на малом числе образцов. Зависимость рп пород от абсолютной: величины пористости экспериментально была установлена также Л. М. Марморштейном [51] и Ц. Ф. Кнутсоном [43]. Однако.

И. Фетт [91] и В. М. Добрынин [35], анализируя результаты изу­ чения сжимаемости различных песчаников, не обнаружили кор­ реляции между сжимаемостью и пористостью, водопроница­ емостью, газопроницаемостью и другими параметрами пород. Исследованные И. Феттом песчаники имели пористость в диапазоне 10—15% и только для одного образца пористость достигала 20%. Поэтому отсутствие корреляции в этом случае могло быть след­ ствием малой области изменения пористости исследованных об­ разцов.

Как известно, пористость пород тесно связана с их относитель­ ной глинистостью. Наличие этой связи, естественно, должно предопределять зависимость рп от кп. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные действительно указывают на существенное изменение сжимаемости пор пород с увеличением их относительной глинистости и пористости. Если норовое про­ странство осадочной горной породы У„ заполнено некоторым веществом (глинистые включения) с объемом Увк, то объем сво­ бодных пор Уп, определяемый с помощью насыщения, Уп =

Так как нагрузка со стороны внешнего давления восприни­ мается только скелетом породы, то согласно уравнению (30) имеем

(65)

где рп — сжимаемость пор породы, у которой поры заполнены включениями.

После некоторых преобразований уравнение (65) можно за­ писать в виде

(66)

(67)

Здесь кп — коэффициент пористости породы с заполнителем пор. Согласно уравнениям (66) и (67) для однотипных пород, отли­ чающихся по пористости за счет цемента заполнения пор, сжима­ емость пор должна уменьшаться с увеличением пористости по за­ кону 1/кп и увеличиваться с возрастанием коэффициента заполне­

ния т} по закону 1/1 — т).

Значения рп пород в зависимости от относительной глинисто­ сти и пористости приведены на рис. 14 и 15. Исходными данными послужили значения рп более 70 образцов песчано-алевритовых пород разрезов п-ова Мангышлак (южная часть), Русской плат­ формы и Предкавказского прогиба. Экспериментальные и расчет­ ные данные изменения сжимаемости пор в зависимости от величины пористости и относительной глинистости хорошо сопоставляются. Зависимость сжимаемости |5П от относительного 'заполнения пор

карбонатным материалом (для образцов с глинистостью меньше 10%) проявляется более четко, поскольку карбонатный материал в песчаниках в основном представлен в виде цемента заполнения пор [47].

Таким образом, зависимость между сжимаемостью пор и по­ ристостью или относительной глинистостью предопределяется на­ чальной пористостью и сжимаемостью «чистой» породы. В этом случае, как показывают теоретические расчеты [35], коэффициент сжимаемости пор «чистой» породы не зависит от коэффициента пористости (рп =т^ Р (кп) и может быть принят для характеристики пород вместо сжимаемости скелета, являющейся функцией пори­ стости — см. уравнение (60).

Сведения, приведенные в табл. -6 и изображенные на рис. 16, дают представление о пределах изменения коэффициента сжима­ емости пор при различных давлениях. При низких дифференци­ альных давлениях {ра = 50—200 кГ/сл*2) коэффициент сжимае­ мости пор колеблется в пределах (0,1—7,0)-Ю"*4, см21кГ, т. е. может изменяться в десятки раз в зависимости от литолого-петро- графической характеристики пород. Сжимаемость пор выше на один-два порядка, чем сжимаемость твердой фазы пород или насыщающего флюида.

Одной из причин наблюдаемого изменения сжимаемости пор при постоянном давлении И. Фетт [91], В. М. Добрынин [35] и В. Ф. Индутный [39] считают отсортированность пластического материала. Для песчаников, хорошо отсортированных и сложенных хорошо окатанными зернами, характерны наиболее высокие значения рп. Для песчаников, сцементированных глинистым

Для плохо отсортированных песчаников характерен более широкий диапазон изменения 8П [56].

Существенное влияние на сжимаемость по.р оказывает тип и состав цемента. Сжимаемость пор пород с базальным типом цементации выше, чем пород с порово-пленочным и контактным типом цемента [39, 55].

Согласно теоретическим расчетам [36], сжимаемость пор яв­

и того же образца в зависимости от диапазона давлении. В связи с этим В. М. Добрыниным [35, 36] высказано предположение о су­ ществовании разных закономерностей изменения рп в зависимости от диапазона давлений и типа пород. В частности, для сцементи­

апроксимируется прямой линией, а при низких давлениях (рт1п) зависимость близка к прямой линии в координатах ^ Р п ^ р * Для сильиоуплотненных с низкой проницаемостью песчаников,.

Рис. 16. Зависимость коэффициента сжимаемости пор рп от дифференциального давления.

Здесь с,- — предел прочности на сжатие породообразующих мине­ ралов и цемента; А, т, п — некоторые постоянные величины, за­ висящие от структуры породы,

2. ИЗМЕНЕНИЕ ПОРИСТОСТИ И ПЛОТНОСТИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ

Изменение пористости и плотности осадочных пород в процессе литогенеза протекает под воздействием двух групп факторов: физико-механических, обусловливающих уплотнение пород, и гео­ химических, определяющих цементацию и перекристаллизацию пород. Роль каждого фактора на определенном этапе литификации различна. В частности, давление оказывает максимальное воздей­ ствие на первом этапе консолидации грунтов, т. е. до появления различных по характеру связей между частицами, тогда как пере­ кристаллизация заметно влияет на более позднихстадиях диа­ генеза.

Механические силы, действующие на неконсолидированные среды, приводят, с одной стороны, к разрушению минеральных зерен, а с другой — к уплотнению осадков, благоприятствуя при этом геохимическим процессам растворения, цементации и перекристал­ лизации. Степень уплотнения пород, отличающихся по минерало­ гическому составу, различна. Свежие глинистые осадки обладают начальной пористостью 60—85%, свежеотложенные хорошо от­ сортированные рыхлые пески — примерно 45%. Начальная по­ ристость большинства известковых образований достигает 60%. На глубине 3—4 км эти же отложения характеризуются пори­ стостью, составляющей не более 20—30% от первоначальных значе­ ний.

Анализируя характер уплотнения осадочных пород, многие исследователи приводили аналитические выражения закономер­ ности изменения плотности под действием возрастающего геостатического давления. Влияние других факторов уплотнения указанных выше, например, геотектонического давления и про­ цесса заполнения пор, вряд ли можно выразить определенными закономерностями. Опыт построения типовой кривой гравитаци­ онного уплотнения глинистых осадков приведен Н. Б. Вассоевичем [20], использовавшим данные Александрийской опорной скважины (Предкавказье). Вскрытые в ней неогеновые отложения погружались в течение длительного времени без заметных пере­ рывов. Э. Э. Фотиади уплотнение терригенных отложений юга. Русской платформы выразил экспоненциальным уравнением. 3. А. Прозоровичем подобное уравнение было выведено для глин сармата и Майкопа Азербайджана [70]. В работе Е. М. Стетюха [77] исследуемые закономерности выражены линейным, логариф­ мическим и экспоненциальным уравнениями с различными соче­ таниями многочисленных постоянных коэффициентов. Д. Уэллер [79] выразил приближенную зависимость пористости глинистых

пород от глубины их залегания через разность давлений и пори­ стости в исследуемом интервале, а Ш. Нагумо [108] — через на­ чальную пористость, величину компрессионного давления и ко­ эффициенты сжимаемости.

Закономерности изменения плотности и пористости глинистых пород о глубиной по представлениям различных авторов [20, 70, 77, 79, 108] показапы на рис. 18. Сопоставление кривых пока­ зывает, что изменения о и кпс глубиной по данным разных авторов

будет являться огибающей всего распределения изменения пори­ стости осадочных пород с глубиной в условиях спокойной седиментационной обстановки под действием только геостатического давления.

Изменение плотности осадочных пород под действием гео­ статического давления (при постоянном минералогическом составе) можно выразить следующим соотношением:

приведено на рис. 19. Если принять в начальной стадии уплотне­ ния кп тах = 60%, то можно предположить, что меньшие значения начальной пористости для пластичных пород могут быть обу­ словлены одной из следующих причин. Во-первых, глубина ис­ следуемых пород уменьшилась вследствие денудации покрыва­ ющих отложений или подъема региона, во-вторых, уплотнение было обусловлено дополнительным геотектоническим воздей­

кп тах оказалась ниже 60%, следовательно, можно предположить, что современная глубина залегания этих отложений отличается от глубины времени их образования и предыстория их различна. Если сместить графики рис. 20, а на глубины, соответствующие глубинам линий совпадения по рис. 19 (кривую 7, совпадающую с линией 3, опустить на 400 м, кривые 2 и 3 — на 950 м, кривую 4 — на 670 м, кривую 5 — на 200 м), то оказывается, что все иссле­ дуемые зависимости согласуются с огибающей кривой рис. 19 при кп шах = 60% для минералогической плотности бт = 2,7—2,8 г/смг (см. рис. 20, б).

Отклонения от указанной закономерности верхнего и нижнего участков кривой Дж. Уэллера (4') вызвано, по-видимому, тем*