8.1 Петрощільнісні методи

Щільнісні характеристики, найуживанішою з яких є густина, належать до числа найважливіших екстенсивних параметрів які характеризують стан природних систем – адже саме густина визначає мольний об’єм речовини і її знання необхідне при розрахунках обсягів елементарних комірок мінералів. Оскільки густина є властивістю речовини що визначає її масу в одиниці об’єму, то вона безумовно впливає на всі інтенсивні параметри систем: величину тиску і температуру, а також, безумовно, на концентрацію. Основні щільнісні параметри наведені у табл. 8.1.

Таблиця 8.1 - Основні щільнісні параметри гірських порід

Параметр, індекс	Визначення	Одиниця виміру (СІ)
Густина, 	Відношення маси гірської породи (мінералу) до об’єму породи (мінералу), тобто відношення маси твердої, рідкої і газової фаз до його об’єму	Кг/м3
Густина:
- мінеральна, М	Відношення маси твердої фази гірської породи до чистого об’єму твердої фази (позбавленого пустот розміром понад 10-4 мм)	Кг/м3
- твердої фази, Т	Відношення маси твердої фази гірської породи до об’єму твердої фази за виключенням відкритої пористості	Кг/м3
- газонасичених порід, г	Відношення маси твердої фази гірської породи до об’єму породи, позбавленої порової вологи	Кг/м3
- газо-водонасичених порід, гв	Відношення маси гірської породи з лабораторною вологістю до об’єму породи	Кг/м3
- водонасичених порід, В	Відношення маси гірської породи з максимальною вологістю до об’єму породи	Кг/м3
Питома вага, п	Відношення ваги гірської породи (мінералу) до об’єму породи (мінералу)	Н/м3
Кристалохімічна щільність, 	Кількість атомів в одиниці об’єму породи	1/м3
Структурна рихлість, 	Середній об’єм що припадає на 1 атом породи	м3

8.1.1 Визначення щільнісних властивостей зразків

Найбільш точно щільнісні характеристики зразків визначаються лабораторними методами. При цьому, як правило, застосовується метод гідростатичного зважування. Для визначення тієї густини породи (_О), яку вона мала в природному заляганні, зважуванню піддають свіжо запарафінований зразок. При зважуванні послідовно одержують: масу зразка без парафінової оболонки m₁, масу зразка після парафування m₂; масу зразка, зануреного у рідину, m₀. Густину зразка обчислюють за формулою:

де _Р - густина рідини, _п - густина парафіну. Похибка визначення густини залежить від маси зразка, густини зразка, робочої рідини і парафіну, а також від точності зважування. При дослідженні кристалічних порід похибка, як правило, не повинна перевищувати 1 кг/м³. Якщо порода є практично непроникною для води, то обходяться без парафування. Для одержання густини водонасиченого зразка _в його попередньо насичують водою, а густину газонасиченої породи _г вимірюють після просушування в лабораторній печі. Критерієм водонасиченості зразка (як і видалення вологи зі зразка) є стабілізація його маси. В усьому іншому техніка виміру параметрів _в, _г нічим не відрізняється від визначення . У випадку присутності у складі породи добре розчинних мінералів в якості робочої рідини слід використовувати неелектролітичні рідини, наприклад, гас. При визначенні густини порід, для яких характерна усадка (глини, крейда, деякі мергелі), вводять поправки за усадку. Для зразків масою менше 200 г слід застосовувати терези 2-го класу точності.

Якщо парафування не провадилося або масою парафіну можна зневажити, а також за умови невисокої точності вимірювань (зважування у воді, густину якої умовно беруть рівною 1000 кг/м³), використовується спрощений вираз обрахунку густини:

Похибка визначення густини залежить від маси зразка, густини зразка і робочої рідини та точності зважування. Густину сипучої неущільненої породи (піску, грунту і т.п.) одержують пікнометричним методом, тобто зважуванням визначеного об’єму зразка:

,

де m - маса пікнометра із породою; m_п - власна маса пікнометра; V – об’єм породи. Вимірювати густину порід денситометрами в загальному випадку не рекомендується у зв’язку з низькою точністю вимірювань і внесенням систематичних похибок.

Для визначення мінеральної густини породу дроблять до часток, що проходять через сито з отвором 0,25 мм². Об’єм скелету знаходять шляхом зважування тарованого пікнометра з рідиною і порошком породи, при цьому робочу рідину (гас, спирт, вода) і порошок породи попередньо вакуумують для видалення повітря:

,

де m₀ - маса пікнометра, m₁ - маса пікнометра з пробою, m₂ - маса пікнометра з пробою доповненого рідиною, m₃ - маса пікнометра, наповненого рідиною. Похибка визначення мінеральної густини не повинна перевищувати 10 кг/м³.

Густину природних вод і нафт звичайно вимірюють пікнометричним методом або з застосуванням ареометрів.

Основними способами оцінки густини порід у природному заляганні є: гравіметричні виміри в свердловинах; гамма-гамма метод у в свердловинах і в поверхневих горизонтах земної кори (коефіцієнт поглинання гірською породою гамма-променів пропорційний до густини); метод Неттльтона (за регіональним гравітаційним фоном).

Кристалохімічна щільність і структурна рихлість порід розраховуються за мінеральним складом:

 = (Сjj)

 = (Сjj)

де j = А*(jOj)/Mj, а j = vj/(njzj),

де С_j, _j , _j, _j – дольовий вміст ((С_j)=1), кристалохімічна щільність, структурна рихлість і об'ємна густина j-го мінералу породи; M_j, O_j, n_j - молекулярна маса, кількість атомів кисню і число структурних одиниць у формулі j-го мінералу породи; z_j і v_j - кратність і об’єм комірки мінералу; А - число Авагадро. Зведення даних про величини кристалохімічної щільності та структурної рихлості в деяких мінералах наведені в таблиці 8.2.