2. Проницаемость

Проницаемость как свойство горных пород характеризует их способность пропускать через себя воду, другие жидкости и газы под действием силы тяжести или градиента давления. Примени­тельно к движению свободной (гравитационной) воды (без учета ее плотности и вязкости) это свойство называется водопроницае­мостью (фильтрационной способностью) горной породы и харак­теризуется так называемым коэффициентом фильтрации (К), имеющим размерность скорости (см/с, м/сут и т.д.), который является коэффициентом пропорциональности в законе Дарси (см. гл. 5).

Величина коэффициента фильтрации зависит от свойств самой горной породы (активная скважность, размеры пустот, их форма и др.) и свойств фильтрующейся жидкости или газа (вязкость и плотность).

Проницаемость горных пород, зависящая только от свойств породы и не зависящая от свойств фильтрующейся жидкости или газа (определяемая с учетом этих свойств), характеризуется коэф­фициентом проницаемости (А/), который связан с коэффициен­том фильтрации следующим соотношением:

К_п = К^ = К^ = К-, (3.5)

1 pg S

где р — динамическая вязкость жидкости; у — вес единицы объема воды; g — ускорение свободного падения; р — плотность жидкости; v — коэффициент кинематической вязкости (Гавич, 1988).

При условии, что [А] = м/с, [vl = M²/c и [g] = м/с², К_П имеет размерность площади, м².

В практике гидрогеологических расчетов, особенно в нефтяной гидрогеологии, для характеристики проницаемости горных пород

используется также устаревшая единица, называемая дарси (D). За единицу дарси принимается проницаемость, при которой через образец породы с поперечным сечением 1 см² и длиной 1 см при перепаде давления в 1 атм (9,81 • 10⁴ Па) расход жидкости с вяз­костью 1 сП (0,001 Нс/м²) составляет 1 см³/с (1 D = 1000 mD — милли дарси).

Для пресной воды при температуре 20°С указанные единицы характеризуются соотношением: 1 м/сут = 1,2D = 1,2 • 10~¹² м² = = 1,2 мкм².

Проницаемость реальных горных пород (в зависимости от типа породы и ее состояния) изменяется в пределах 10 порядков и более. В связи со значительными изменениями проницаемости даже для одного типа горной породы в зависимости от ее состояния (уплот­нение, частичная цементация порового пространства, степень тре­щиноватости и раскрытия трещин и др.) понятия “хорошо прони­цаемая”, “плохо проницаемая” порода и другие всегда являются относительными. Однако в целом по возможному значению прони­цаемости основные типы горных пород могут быть подразделены на следующие группы (табл. 3.4).

Данные, приведенные в табл. 3.4, свидетельствуют о том, что дзя различных горных пород проницаемость практически не связа­на с коэффициентом общей пустотности. В решающей степени это свойство горных пород определяется их активной скважностью, которая, как было указано выше, характеризует объем взаимосвя­занных пустот за вычетом части, занятой всеми видами связан­ной воды. В связи с этим основными свойствами горной породы, определяющими ее фильтрационные способности, являются од­нородность и дисперсность (размеры частиц и зерен минерального скелета), с которыми прямо связаны размеры пустот в минеральном скелете (для трещинных сред — раскрытие трещин). Для реальных горных пород связь их пористости и проницаемости с размерами пор до настоящего времени практически не изучена в связи со сложной геометрией свободного пространства (различные размеры частиц, различная форма и др.).

Экспериментальными оценками, выполненными дтя искусст­венных поровых сред Г.М. Березкиной и другими, показано, что пористость и проницаемость горной породы связана со средним радиусом пор (rj следующими соотношениями:

(3.6)

где г_с — средний радиус пор; п — пористость; К_и — проницае­мость; /— удельная поверхность минерального скелета породы.

Таблица 3.4

Группа пород	Проницаемость (Аф, м/сут)	Гравитационная емкость (водо­отдача), р	Типы горных пород
Очень высоко­проницаемые	более 100	0,2-0,3 0,10-0.15	Гравийно-галечниковыс образования, интенсивно закарстованные породы (известняки, гипсы)
Хорошо (высоко) проницаемые	10-100	0,20-0,25 0,03-0,05	Крупнозернистые и грубо­зернистые пески, интенсив­но трещиноватые скальные породы (песчаники, гра­ниты, базальты и др.)
Проницаемые	0.1-10	0,15-0,20 0,01-0,05	Разнозернистые, тонко- и мелкозернистые глинистые пески, слаботрещиноватые и слабозакарстованные породы
Слабопрони­ цаемые	ю-’-ол	0,01-0,05 0,01-0,03	Валунные суглинки, глины песчанистые, аргиллиты, слаботрещиноватые скаль­ные породы, незакарсто- ванные известняки
Весьма слабо­проницаемые	КН—1(И’	менее 0,01	Глины, метаморфические и интрузивные породы при глубинах залегания более 500-800 м
Практически непроницае­м ые	менее 10 6	менее 0,01	Плотные глины, гипс-ангид- ритовые толщи при глубинах залегания более 500 м, со­ляные пласты

Классификация горных пород по проницаемости

Из приведенных зависимостей очевидно, что проницаемость горной породы, пропорциональная г в третьей степени, значи­тельно резче, чем общая пористость горных пород (г в первой степени), возрастает с увеличением среднего радиуса пустот.

Скальные горные породы (главным образом метаморфические и магматические) при отсутствии трещиноватости (отдельные блоки) характеризуются весьма низкими (1—2%) значениями скважности, связанными с наличием отдельных изолированных пор. В связи с этим они обладают определенной “изолированной” (вакуольной) емкостью, но являются практически абсолютно непроницаемы­ми. Фильтрация подземных вод в этом случае возможна только по системам трещин, ограничивающим непроницаемые блоки.

В мерзлых горных породах Й_пор011Ь1 < 0°С) свободная гравитаци­онная вода находится в твердом состоянии (лед). Тем самым по отношению к пресной гравитационной воде они являются абсолют­но непроницаемыми. Через подобные породы возможно только движение подземных вод, замерзание которых (переход в твердую фазу) осуществляется при более низких температурах (связанная вода, свободная вода с высокой минерализацией; см. гл. 12).

Вопросы к главе 3

1. Скважность (пустотность) горных пород. Общая, открытая и активная скважность.

2. Основные морфометрические типы скважности (пористость, трещиноватость, кавернозность).

3. Влажность и влагоемкость горных пород. Характерные виды влагоемкости.

4. Водоотдача и недостаток насыщения.

5. Проницаемость горных пород.

6. Коэффициент фильтрации и коэффициент проницаемости.