1.3 Гранулометрический состав горных пород

Гранулометрическим составом (механическим) горных пород называют количественное (массовое) содержание в породах частиц различной величины. Гранулометрический состав характеризует степень дисперсности минеральных частиц, слагающих горную породу. От степени дисперсности минералов зависят многие другие коллекторские свойства пористой среды: пористость, проницаемость, удельная поверхность, остаточная водонасыщенность, нефтенасыщенность, силы, капиллярно удерживающие флюиды в пласте и др.

Размер частиц горных пород изменяется от коллоидных (10^–3-10^–5 см) до галечника и валунов. Гранулометрический состав нефтесодержащих пород в основном представлен частицами размером от 1 до 0,01 мм в диаметре. По размерам зерен классифицируют структуры обломочных пород на следующие:

• псефитовую, с размером зерен более 2 мм;

• псаммитовую, с преимущественным размером частиц от 2 до 0,1 мм;

• алевритовую, включающую частицы размером 0,1-0,01 мм;

• пелитовую, с размером зерен менее 0,01 мм.

Для определения гранулометрического состава горных пород существует несколько методов. Наиболее распространенными являются ситовый и седиментационный методы, применяемые для слабо и средне сцементированных горных пород. Ситовый анализ применяется преимущественно для характеристики состава псефитов и псаммитов (породу последовательно просеивают через сита с уменьшающим диаметром отверстий), а седиментационный анализ используют для алевритов и пелитов.

Ситовый анализ сыпучих горных пород применяется для разделения песка на фракции от 0,05 мм и более. Содержание частиц меньшей крупности определяется методами седиментации. В лабораторных условиях обычно поль­зуются набором штампованных проволочных или шелковых сит. Штампованные сита, применяемые в СССР, имеют отверстия 10; 7; 5; 3; 2; 1; 0,5 и 0,25 мм. Существуют различные системы сит и всевозможных механических приспособлений для разделе­ния породы на фракции. В наборе вверху располагают сито с наиболее крупными размерами отверстий. В это сито насыпают 50 г породы, которую просеивают в течение 15 мин. Затем оставшиеся на каждом сите частички породы взвешивают и результаты записывают в таблицу,

Седиментационное разделение частиц по фракциям происхо­дит вследствие различия скоростей оседания зерен неодинакового размера в вязкой жидкости. По формуле Стокса скорость осаждения в жидкости частиц сферической формы

, _(1.4)

где g — ускорение свободного падения; d — диаметр частиц; ν — кинематическая вязкость; р_ж — плотность жидкости; р_п — плотность частицы породы.

Существуют различные мнения о пределах и условиях при­менимости закона Стокса. Считается, что формула (1.4 ) спра­ведлива для частиц диаметрами 0,1—0,001 мм. При меньшем размере на скорость осаждения частиц влияют броуновское движение и слои адсорбированной воды.

Формула Стокса справедлива при свободном (нестесненном) движении зерен; чтобы концентрация частиц не влияла на ско­рость их осаждения в дисперсной среде, массовое содержание твердой фазы не должно превышать 1 %.

Существует много методов седиментационного анализа. В ла­бораториях по исследованию грунтов широко применяют спо­собы отмучивания током воды и путем слива жидкости (метод Сабанина), а также метод взвешивания осадка с помощью весов Фигуровского.

При отмучивании током воды грунт помещают в конический или цилиндрический сосуд, через который воду направляют снизу вверх. Регулированием скорости движения воды добива­ются выноса из пределов сосуда частиц определенного диаме­тра, значение которого можно определить по формуле Стокса.

При сливе жидкости происходит отделение медленно оседа­ющих мелких частиц от быстро оседающих (более крупных и тяжелых) при сливе жидкости, содержащей еще не осевшие ча­стицы на дно сосуда.

Наиболее совершенный метод седиментационного анализа — взвешивание осадка. Осадок в процессе седиментации взвеши­вается с помощью весов Фигуровского или автома­тических седиментационных весов (например, модели ВСД-1/50 мкм). В приборе Фигуровского в качестве элемента, восприни­мающего нагрузку, используется стеклянный кварцевый стер­жень (коромысло).

Результаты анализа гранулометрического состава пород представляют в виде таблиц или диаграмм (рис. 1.6), секторы которых показывают содержание различных фракций. Путём суммирования в последовательном порядке процент­ного содержания каждой фракции, строят интегральную (кумулятивной) кривую (рис. 1.7).

Рисунок 1.6 – Изображение состава в виде гистограммы и диаграммы

а б

Рисунок 1.7 – Гистограмма гранулометрического состава образца (а): d – диаметр частиц, γ = - 10 lg d и интегральная кривая суммарного

состава (б)

По построенной интегральной кривой определяют две важные величины: коэффициент однородности (неоднородности) и так называемый действующий диаметр или эффективный размер зерен (d_Эф).

Для пород со средней и высокой цементацией применяют метод исследования в шлифах под микроскопом.