2. Общая физическая характеристика водонасыщенных горных пород

Водонасыщенная горная пород является двухфазной системой, которая состоит из минерального скелета (твердая фаза) и воды, заполняющей поры и трещины жидкая фаза). Охарактеризуем физически каждую из фаз. Учитывая, однако, что детальным изучением твердой фазы занимается инженерная геология (грунтоведение), мы коснемся главным образом геометрической характе­ристики порового и трещинного пространства.

1. Геометрия пор и трещин в горных породах

Поровые каналы и водоносные трещины в горных породах исключительно разнообразны по размерам и конфигурации. Детальный анализ их геометрии с целью последующего использования в каких-то детерминиро­ванных теоретических построениях заведомо лишен сымсла: даже если такой анализ увенчался бы успехом и мы смогли бы скрупулезно описать геометрические пара­метры этих каналов (трещин), то мы все равно не сумели бы воспользоваться полученными результатами для мак­роскопического описания движения жидкости (см. разде­лы 1.3 и 1.5).

Поэтому и реально, и разумно оперировать некоторы­ми обобщенными или статистически усредненными пока­зателями геометрии порового пространства. Наиболее по­нятным из них является общая пористость , характери­зующая долю порового пространства в общем объеме горной породы. Для дальнейшего ориентирования приве­дем некоторые характерные значения общей пористости доя нкоторых пород (в %): пески 35-50; глины 40-60; песчаники и осадочные карбонатные породы 5-20; грани­ты, гнейсы и кварциты — менее 1. Аналогом пористости для трещиноватых пород является трещиноватость — относительный объем трещин; значение ее обычно не пре­вышает 1-2%, а чаще измеряется долями процента.

Впрочем, прямая польза от этих показателей для нас не очень велика. Например, по ним нельзя судить о спо­собности породы пропускать или отдавать воду (так, по­ристость типичных глин больше, чем у типичных песков); эта способность в большей степени определяется абсо­лютными размерами пор, которые имеют, например, в песках порядок 0,1-1 мм, а в глинах 0,1-1 мкм.

л

/ \ и \ Л

•г =

ПРИМЕР. Выделим единичное поперечное сечение в образце горной породы. Поры занимают площадь п (нетрудно показать, что объемная пористость равна поверхностной), общее число пор про­порционально (г_п — радиус поры). Суммарный расход жидкостй,

согласно формуле Гагена-Пуазейля, пропорционален

_2 \ /

= П'г_п, т.е., при прочих равных условиях, для глин он на 4-6 поряд-

ков меньше, чем для песков.

Важно также, что вода движется не по всем порам, а лишь по связанным друг с другом достаточно крупным порам, образующим так называемое эффективное поро- вое пространство (это понятие используется преимуще­ственно для характеристики нефтяных коллекторов). На­пример, у некоторых песчаников и карбонатных пород эффективная пористость в несколько раз меньше общей [20].

ЗАМЕЧАНИЕ. Наряду с общей пористостью мы будем исполь­зовать коэффициент пористости £, равный отношению объема пор

к объему твердой фазы :£

Если полагать, что в несцементированных песчано-глинистых породах размеры пор примерно соответствуют размерам минераль­ных частиц, то характеристикой статического распределения пор по размерам будет служить гранулометрический состав этих пород. Правда, совокупность одних и тех же частиц можно уложить с разной плотностью, например, пористость системы из шаров равных разме­ров меняется в зависимости от укладки от 26 до 48%, а можно при­думать и такую укладку, что пористость превысит 70%. Вряд ли, однако, имеет смысл останавливаться на этом моменте слишком под­робно, так как от подобных рассмотрений мало пользы для анализа реальных горных пород.

ЗАМЕЧАНИЕ. Общая поверхность пор в 1 см³ горной породы (удельная поверхность ) может быть огромной. Например, если средний размер глинистых частиц равен 0,2 мкм, то удельная повер­хность составляет около 10 м .Уже отсюда понятно, что, продвигаясь через поры, вода вынуждена расходовать большую энергию на тре­ние о стенки пор.

Не менее сложный характер имеет геометрия трещин - ного пространства: если в ориентации трещин и в их уда­ленности друг от друга подчас и прослеживаются опреде­ленные закономерности, то конфигурация стенок трещин и их раскрытие трудно поддаются формализованному описанию.

Плотность укладки минеральных зерен и раскрытие трещин зависят от обжимающей нагрузки, которая в ус­ловиях естественного залегания горных пород определя­ется в первую очередь мощностью перекрывающей тол­щи. Поэтому с ростом глубины залегания общая пори­стость (или трещинная пустотность) обычно уменьшает­ся, хотя закономерность эта может существенно нарушат­ся цементирующими соединениями.