книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах
..pdfвого 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
|
Рп=--Л -у» |
(7) |
|
где |
— поверхность контакта |
электрода с образцом; |
I — длина |
образца; К —- сопротивление |
образца. |
|
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
деляется по формуле |
|
Д7П= (т —Ат) с, |
(8) |
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
пористости образца на 1% повышает давление |
на Ар = 40— |
— 50 кГ/см~, т. е. на величину, достаточную для |
регистрации ее |
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,
вводимого в измерительный цилиндр поршня. |
|
||||
Изменение пористости |
кп |
и |
плотности образца вычисляется |
||
по уравнениям: |
|
|
|
|
|
А&п__ |
1 |
|
|
|
|
|
|
Уп |
1- АУп 7 |
|
|
|
|
|
Уп |
кп |
|
Асу |
(бт 6Ж) кп |
Акп |
(Ю) |
||
|
бт |
(6Т |
6Ж) кп |
кп |
|
|
|
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
Ь = - л 5 Г Т ^ - |
(11) |
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
ограничения |
времени |
выдержки |
при |
заданном давлении ре. |
При выборе |
ступеней |
давления |
и |
температуры необходимо |
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
при нескольких |
циклах нагрузки — разгрузки, |
приведено |
на |
рис. 11. Образцы |
циклически нагружались до |
2000, 5000 |
и |
8000 кГ/см2. Время «отдыха» между циклами менялось от несколь ких дней до одного месяца. Как видно из рис. 11, при втором
цикле нагружения до 5000 кГ/см2 на кривых |
изменения ДУп |
от давления четко наблюдается излом кривой |
при давлении |
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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чению, что связано с пла |
||||
Рпс. |
11. |
Деформация |
порового |
объема |
стическим |
течением |
поро |
||||||
ды. Исследование физиче |
|||||||||||||
при различных циклах нагрузки. Песча |
|||||||||||||
ских свойств |
пород |
при |
|||||||||||
ник, |
А*п = 1 9 ,2 % , цемент |
опаловый, ре |
|||||||||||
|
|
|
генерационный. |
|
|
совместном |
|
воздействии |
|||||
1 — нагрузка |
д о 2000 |
кГ/с.ч2, I |
цикл; |
2 — на |
всесторонних |
давлений и |
|||||||
грузка |
д о |
500П |
кГ/с.и2, |
II |
цикл; |
.4 — нагрузка |
температур |
(ре = 50; 500 |
|||||
|
|
д о 8000 кГ/см9, |
III |
цикл. |
|
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
емого |
параметра [33, 39] может исказить картину |
деформации |
и вид |
зависимости данного физического свойства |
от давления. |
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
волн |
и удельное электрическое |
сопротивление, при давлении |
Ра |
Ре < Ре2 должны характеризоваться пониженными значе |
|
ниями |
относительно величин VР и |
рп при р е = р с0, Вследствие |
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
упругих волн и сжимаемости пор, являющихся более чувствитель ными индикаторами структурных изменений пород. Следует учесть, что амплитуда скачков на разных диапазонах давлений различна и-может варьировать от 0,1 до 20—30% общего измене ния свойств от внешних факторов. Это положение делает необхо димым тщательно анализировать наблюдаемые при эксперимен тах отклонения, которые зачастую характеризуют особенности исследуемой породы.
Одной из методических особенностей измерения физических свойств пород в условиях высоких давлений и температур является выбор последовательности воздействия указанных факторов. Повышение температуры в камере сопровождается ростом давле ния. Поэтому для достижения заданных значений р е,- р 1 и Ь целе сообразнее внешнее и внутреннее давления регулировать после нагрева образца. Во избежание изменения влажности пород при росте температуры нагрев образца в свою очередь производится при минимальных значениях давлений, прилагаемых к образцу и норовой жидкости. При выборе последовательности воздействия давлений на исследуемый образец естественно исходить из поста вленной задачи. Например, при решении задачи, связанной с раз работкой нефтяных залежей, целесообразнее проводить исследо вание при постоянном внешнем давлении с постепенным пониже нием норового давления. Для выяснения закономерности измене
ния физических свойств |
пород |
с глубиной, |
в частности, при |
|||
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 4 |
|
|
Физические свойства песчаника Бирн (США) |
|||||
|
Параметр |
|
|
Данные |
Данные зарубежных |
|
|
|
|
ВНИИГео- |
исследователей |
||
|
|
|
|
физшш |
[43, 92, 99, 101, 102] |
|
Плотность абсолютно сухого образца, |
2,16 |
|
||||
г/смг |
.................................. |
» . . |
2,14—2,16 |
|||
Минералогическая плотность, г/см3 . |
2,66 |
2,66—2,68 |
||||
Плотность в состоянии 100%-ного на |
|
|
||||
сыщения образца дистиллированной |
2,34 |
|
||||
водой, |
г/см3 . |
|
|
2,32 |
||
Пористость общая, % |
|
|
18,8 |
18,1-20,5 |
||
Пористость открытая, % |
|
18,7 |
18,0-19,5 |
|||
Проницаемость по газу, мд |
|
213 |
250 |
|||
Скорость |
упругой продольной |
волны |
|
200 (но воде) |
||
2250 |
2440 |
|||||
в абсолютно сухом образце, м/сек . . |
||||||
То же, в образце, насыщенном 2 и. рас |
3000 |
3200 |
||||
твором |
N801, м/сек |
.......................... |
||||
•Удельное |
электрическое |
сопротивле |
|
|
||
ние образца, насыщенного 2 н. рас |
1,7 |
— |
||||
твором N301, ом-м |
|
|
40