Все что выделено цветом законспектировать в тетрадь. Остальное прочитать. Если, например формулы, не выделенные вы забыли, перепишите.
Лабораторная работа №1
Общие понятия о горных породах
Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом от плотности минералов, слагающих породу.
Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м3.
Плотность осадочных горных пород - в пределах от 1850 до 3200 кг/м3. Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м3.
Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.
Для пористых пород объемная масса всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды.
При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает.
С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.
В работе [1] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 1 приведены плотности основных осадочных пород.
Таблица 1 – Плотность осадочных пород [1]
Горная порода |
Плотность, кг/м3 |
Горная порода |
Плотность, кг/м3 |
Песчаники |
2320-3200 |
Алевролиты |
2340-3040 |
Глины |
1850-2200 |
Известняки |
2360-2980 |
Аргиллиты |
2630-2860 |
Доломиты |
2460-3190 |
Мергели |
2370-2920 |
Каменная соль |
2100-2200 |
Наиболее важным структурным признаком породы является пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).
Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризуется отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости Кп есть отношение объема всех пор Vпор к полному объему образца породы Vобр, в долях или процентах
Кп = (1)
Известна также открытая пористость, которая учитывает сообщающиеся между собой поры. Она всегда меньше или равна общей пористости.
Динамическая (эффективная) пористость учитывает только часть объема открытых пор с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических пород весьма мала (0,8-1,2 %) [2]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2).
Таблица 2 – Общая пористость основных пород нефтяных и газовых
месторождений
Горные породы |
Кп, % |
Горные породы |
Кп, % |
Глины |
0-62 |
Песчаники |
0-53 |
Аргиллиты |
0-25 |
Известняки |
0-45 |
Глинистые сланцы |
0,5-4 |
Доломиты |
2,5-33 |
Пески |
2-55 |
Алевролит |
0-47 |
Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен.
Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):
Пески 20-25;
Песчаники 10-30;
Карбонатные породы 10-20.
По происхождению поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся поры и трещины, образующиеся во время осадконакопления и формирования массива горных пород. Вторичные поры и трещины образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные породы, например, при доломитизации известняков образуется значительное количество пустот.
По размеру поровые каналы пород-коллекторов условно делят на три группы [3]: сверхкапиллярные – более 0,5 мм; капиллярные - 0,5-0,0002 мм; субкапиллярные – менее 0,0002 мм.
Структура порового пространства зависит от следующих факторов:
- степени трещиноватости;
- гранулометрического состава пород;
- характеристики цементации.
Измерения коэффициента полной пористости горных пород Кп основывается на следующем соотношении
(2)
где Vзерн – объем минерального скелета образца.
С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2) может быть представлено так
(3)
где и - суть плотности образца породы и плотности минерального
скелета.
Плотности горных пород ( ) определяются с помощью весов [2, 4, 5] на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы (m г.п) определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду.
Объем вытесненной воды Vвв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна
(4)
Прочность – это способность пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие , растяжение , изгиб , сдвиг (срез) . При бурении глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии» [1, 2, 5, 6, 7].
Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0.
Определение предела прочности при одноосном сжатии
Производится на образцах цилиндрической (керн) или призматической формы. В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на образцах размеры, которого 42 3 мм при отношении высоты h к диаметру d (ширине, длине), равном единице. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Они также должны быть параллельны друг к другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).
Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. Схема проведения опыта приведена на рисунке 1.
3
1 – образец породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса
Рисунок 1 – Установка для определения предела прочности на
одноосное сжатие
Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения.
В опыте фиксируется максимальная нагрузка Рmax, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Рmax к площади поперечного сечения образца F
. (5)
В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона . При изменении размеров образцов в продольном и поперечном направлении [1, 7]: предположим длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd. Коэффициент Пуассона определяется
(6)
Модуль Юнга Есж -
(7)
В таблице 3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) [1].
Таблица 3 – Классификация горных пород по прочности на
одноосное сжатие
Группы |
Категории |
, МПа |
Группы |
Категории |
, МПа |
Весьма слабые |
1 2 3 |
< 4 4-6 6-10 |
Средней прочности |
7 8 9 |
35-52 52-80 80-120 |
Слабые |
4 5 6 |
10-15 15-23 23-35 |
Прочные
Очень прочные |
10 11 12 |
120-180 180-270 270< |
Наибольшей прочностью обладают породы, содержащие кварц. Кварц имеет предел прочности при одноосном сжатии равный 5·108 ПА. Полевые шпаты, входящие в некоторые осадочные породы, обуславливают их малую прочность.