Глава 12: Общие закономерности распределениЯ физических свойств горных пород.

Большинство осадочных горных пород на ранних седиментационных стадиях обладают, как правило, высокой пористостью, малой плотностью и т.п.

По мере углубления осадочных бассейнов горные породы испытывают уплотнение. Например, на небольшой глубине терригенные горные породы (включая глины, песчаники и др.) обладают значительной пористостью. У глин она может доходить до 30-40 %. Уже на глубине 1,5-2 км глинистые породы обладают пористостью менее 3-5%.

При больших давлениях осадочные горные породы склонны к растрескиванию и формированию трещинных коллекторов.

Для карбонатных горных пород на раннедиагенетической стадии характерны процессы седиментационного уплотнения , перекристаллизации, а также выщелачивания. Процессы уплотнения и перекристаллизации ведут к увеличению плотности горной породы, процессы выщелачивания и кавернообразования наоборот – к уменьшению плотности (и увеличению пористости и проницаемости).

На более поздней стадии основными процессами вторичных преобразований карбонатных пород является кавернообразование, вымывание кальция из пор и трещин пластовыми водами ведущими к увеличению порового пространства и обратные процессы – кальцинизация, серитизация , окварцевание – ведущие к уменьшению порового пространства. В связи с отсутствием пластичности при температатурах менее 300 ⁰С карбонатные породы при увеличении давления подвергаются значительному растрескиванию.

Процессы вторичных преобразований карбонатных пород способствуют сложному распределению фильтрационно-емкостных свойств разреза по латерали и вертикали [8].

В естественных условиях горные породы под действием всестороннего давления находятся в состоянии напряжения. В осадочных породах при определении среднего нормального напряжения допускают, что оно равно напряжению, созданному весом вышележащих пород (горным или геостатическим давлением Р). Разность между горным давлением Р и пластовым (поровым) Р_пор называется эффективным давлением (напряжением) Р_эф, действующим на скелет породы:

(12.1).

Величина геостатического давления с учетом изменяющейся плотности с глубиной пород определяется как:

(1.106) или (12.2),

где плотность литологически однородного пласта мощностью h_i; — средневзвешенное значение плотности вышележащих пород до глубины Н определения геостатического давления; g — ускорение свободного падения. Значение пластового давления определяется:

(12.3),

где — среднее значение плотности воды по разрезу. Соответственно формула (1.108) может принять вид:

(12.4).

Под действием эффективного давления породы претерпевают как упругие, так и неупругие деформации, которые сопровождаются уменьшением пористости. Согласно экспериментальным данным, под давлением вышележащих пород глины, уплотняясь, отдают связанную воду. В результате таких процессов их пористость с глубиной уменьшается по экспоненциальному закону [11]:

(12.5),

где и — пористость глин соответственно на заданной глубине и начальной поверхности; — постоянная величина, характеризующая степень уплотнения глин с глубиной, отвечает коэффициенту необратимого уплотнения породы; Р_эф — эффективное давление (напряжение).

Зависимость плотности пород от глубины залегания, в среднем описывается эмпирическим уравнением вида [11]:

(12.6),

где — пористость породы на поверхности; Н — глубина, на которой определяется пористость; — температурный коэффициент, изменяющийся от 0,2×10^-3 м^-1 (породы с жестким скелетом и низкой глинистостью) до 0,7×10^-3 м^-1 (породы высоко глинистые).

Наибольшее уплотнение характерно для глин и сильно глинистых разностей пород. Хорошо отсортированные чистые песчаники уплотняются в меньшей степени.

С ростом эффективного давления (увеличением глубины залегания) проницаемость пород _пр уменьшается в соответствии с приближенным уравнением [11]:

(12.7),

где структурный показатель, связывающий среднюю статистическую длину поровых каналов с их радиусом l_i= (с — постоянная величина, изменяющаяся от (— 0,24) до (— 1,8)) . Например, анализ многочисленных исследований показывает, что проницаемость пород, особенно глинистых, залегающих на больших глубинах, может оказаться почти в 2 раза меньше ее значения, определенного на поверхности.

В результате увеличения эффективного давления происходит деформация пород, сопровождающаяся уменьшением их пористости и изменением геометрии порового пространства, т.е. увеличением извилистости поровых каналов преимущественно из-за их сужения.

Изменение этих параметров с ростом давления обусловливает и соответствующее изменение (в сторону увеличения) удельного сопротивления пород, которое зависит от величины давления и их литолого-петрографических особенностей. Наиболее интенсивное изменение удельного сопротивления происходит под действием Р_эф до 30 — 40 МПа. При дальнейшем увеличении Р_эф интенсивность роста сопротивления снижается и стремится к некоторому пределу до наступления необратимых разрушений в скелете породы.

С ростом температуры, при увеличении глубины, удельное сопротивление водных растворов ( а следовательно, и ОГП) закономерно уменьшается:

(12.8),

где и — температурные коэффициенты, равные для растворов NаСl соответственно 216×10^-4 и 8×10^-6; Т и Т₀ — температуры в C°, соответственно раствора и стандартная (равная 20 или 25 °С); — удельное сопротивление раствора при Т₀; — удельное сопротивление раствора при Т.

Вариации пористости, структуры поровых каналов и удельного сопротивления под действием давления приводят и к соответствующему изменению характера зависимости Р_п=f(к_гл), Р_п= f(к_п) для большинства ОГП.

При одном и том же давлении величина Р_п изменяется значительно больше, чем пористость, что объясняется преимущественным влиянием увеличения извилистости токопроводящих каналов.

Скорость (интервальное время пробега акустической волны) в воде зависит от ее минерализации, температуры, давления и определяется с помощью номограмм или эмпирического выражения [11]:

(12.9),

где Т — температура воды (в °С); С — минерализация (в г/л); Р_пл — пластовое давление (в МПа).

На скорость и поглощение энергии упругих волн в породах существенно влияет эффективное давление. Его увеличение приводит к сжатию скелета породы, уменьшению ее пористости и увеличению контактной упругости между зернами, а, следовательно, к возрастанию скоростей упругих волн и уменьшению коэффициентов их поглощения. С увеличением эффективного давления скорость в породах возрастает сначала быстро. По мере сближения и перераспределения зерен породы под действием давления и улучшения акустического контакта между ними рост скорости замедляется. Дальнейшее ее увеличение определяется контактной упругостью зерен и при давлении, превышающем некоторое предельное, растет очень медленно.

При низком давлении даже незначительное содержание газа в жидком заполнителе пор приводит к резкому уменьшению скорости упругих волн в пласте. С ростом давления наблюдается ее плавное увеличение. В воде, находящейся под давлением около 60 МПа, скорость увеличивается примерно на 5 - 7 % по сравнению со скоростью в воде, находящейся при атмосферном давлении.

Контрольные вопросы.

1. Как изменяются характеристики осадочных горных пород при погружении осадочного бассейна?