1.5. Пористость и проницаемость горных пород

Пористость – одна из важнейших структурных характеристик горных пород, характеризует величину объема пор в единице объема породы.

Пористость характеризуется двумя показателями:

•  общая пористость 

n = V_пор / V_обр,

где V_пор – объём пор, V_обр – объём образца,

V_обр = V_пор + V_твч,

V_твч – объём, занимаемый твердыми частицами в горной породе;

• коэффициент пористости 

e = V_пор / V_твч .

Величина общей пористости n и коэффициент пористости e связаны между собой соотношением

n = e / (1 + e).

Коэффициент пористости e связывает между собой объемную массу горной породы и ее плотность:

ρ_о = ρ(1 + e).

По величине поры горных пород разделяются на субкапиллярные (диаметр пустот не превышает величины 0.2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0.2 – 100 мкм), сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Пористость горных пород изменяется в больших пределах: (0 ÷ 90) %. Высокой пористостью обладают осадочные горные породы. В среднем же пористость горных пород равна (1,5 ÷ 30) %.

Различают пористость активную и пассивную.

Под активной пористостью понимают такую, через поры которой жидкость способна проникать в глубь тела (открытая пористость).

Пассивная пористость – это пористость породы, поры которой недоступны для проникновения жидкости (закрытая пористость).

На разрушение горной породы влияние оказывает и активная, и пассивная пористость, причем в процессе механического нагружения доля активной и пассивной пористости в величине общей пористости породы постоянно изменяется. Влияние пористости на разрушение горных пород в значительной степени определяется наличием или отсутствием жидкой фазы в породе.

Под проницаемостью понимают свойство горных пород пропускать сквозь себя жидкость, газы при наличии перепада давления. Когда исследуется способность воды проходить через горную породу, то говорят о водопроницаемости.

Величина пористости горных пород в значительной степени определяет их водопроницаемость. Наиболее важными факторами, влияющими на водопроницаемость, является геометрия поровых каналов (размер пор и их извилистость), величина раскрытия трещин, свойства водных растворов (вязкость, поверхностное натяжение, плотность при изменении концентрации ионов), дисперсность и минеральный состав горных пород, гидрофильность или гидрофобность поверхностей поровых каналов и трещин.

Необходимо хорошо понимать, что увеличение пористости горных пород не всегда приводит к росту их водопроницаемости. Например, пористость глинистых горных пород доходит до нескольких десятков процентов, но это не обеспечивает роста их водопроницаемости. Причину этого мы уже знаем: образование двойного электрического слоя и связывание глинистыми минералами молекул воды в поровых каналах малого диаметра.

 

1.6. Горная порода как многокомпонентная система

Все компоненты в горной породе находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и образуют физико-химическую систему с постоянно меняющимся по мере изменения внешних условий термодинамическим равновесием.

Различают следующие виды взаимодействия компонент горной породы друг с другом:

1) Химическое взаимодействие (растворение, гидролиз, окисление).

2) Физическое взаимодействие (ионный обмен).

Растворение – процесс перехода всех компонент твердой фазы в жидкую фазу (конгруэнтное растворение). В качестве жидкой фазы в горных породах чаще всего находится вода и её растворы. Растворимость минералов в воде увеличивается с уменьшением энергии связи кристаллической решетки.

Скорость растворения определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости ε растворителя (очевидно, что растворение минералов в воде и нефти различно) и зависит от скорости отвода возникающего раствора от растворяющейся поверхности: чем меньше скорость отвода, тем меньше и скорость растворения.

Большой растворимостью в воде обладает незначительное число пород и минералов (галогениды, ангидрит, гипс). Доломиты и известняки относятся к слаборастворимым породам. Основная масса горных пород считается практически нерастворимыми в воде. Это означает, что за период эксплуатации скважины растворение стенки скважины в буровом растворе на водной основе не вызовет значительного увеличения ее диаметра.

Растворимость значительно возрастает при циркуляции в породах водных растворов различных кислот. С увеличением содержания в воде углекислоты, например, растворимость карбонатных пород возрастает.

Гидролиз (инконгруэнтное растворение) – обменная реакция минералов с водой. Важной особенностью процессов гидролиза является то, что их протекание даже на первых этапах сопровождается образованием новой твердой фазы, отличной по составу от исходной (растворяющейся).

Гидролиз в горных породах является многостадийным процессом, приводит к распаду минералов и выносу из породы некоторых элементов в растворенном виде.

Особенностью гидролиза

2CaAl₂Si₂O₈ + 6H₂O = Al₄Si₄O₁₀(OH)₈ + 2Ca²⁺ + 4OH^-

является то, что при его реализации в растворе образуется группа OH^-, уравновешивающая заряд подвижных катионов. Чем больше катионов переходит в раствор при гидролизе, тем больше концентрация группы OH^- и тем выше значение pH этого раствора: гидролиз сопровождается образованием щелочи в растворе.

Развитие гидролиза в горной породе идет с участием газов и органического вещества, которые выступают в качестве кислотного нейтрализатора щелочности. Скорость реакции гидролиза зависит от величины pH, состава раствора, температуры, отношения поверхности взаимодействия к объёму раствора, проницаемости горной породы и скорости течения воды.

В основе окисления лежит взаимодействие твердой компоненты породы с кислородом, находящимся в жидкой фазе. В результате окислительной реакции возникают новые вещества, содержащие кислород. С ростом глубины кислорода в жидкой фазе становится все меньше и окисление затухает. При бурении скважины поступление кислорода на глубину обеспечивается буровым раствором. Это стимулирует возникновение окислительных реакций в горной породе, расположенной в околоствольном пространстве и на большой глубине.

Ионный обмен как физический тип взаимодействия компонент горной породы в наибольшей степени характерен глинистой горной породе. Связано это с образованием двойного электрического слоя около частиц глинистых минералов. Ионы адсорбционного и диффузного слоёв частиц глинистых минералов находятся в постоянном физико-химическом равновесии с ионами порового раствора. При изменении по той или иной причине состава порового раствора сразу же начинается ионный обмен между ионами двойного электрического слоя частиц и раствора: определенное количество ионов из раствора входит в состав двойного электрического слоя, а эквивалентное количество других ионов уходит с поверхности частиц в раствор. Общее количество ионов в горной породе, способных участвовать в обмене в данных условиях, характеризует емкость обмена породы. Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 грамм сухой породы.