Современные методы исследования горных пород

 

* Допускается по специально разработанной  методике при проведении экспериментальных  работ.

     При статическом зондировании основными  показателями свойств горных пород  являются:

а) общее сопротивление зондированию R_общ, кгс;

б) сопротивление погружению конуса R_кон кгс/см²;

в) удельное сопротивление погружению конуса R_уд. _кон, кгс/см²;

г) сопротивление трению по боковой  поверхности зонда R_тр, кгс/см².

Общее сопротивление горных пород —  это то сопротивление, которое они  оказывают проникновению зонда. Оно равно тому усилию (кгс), которое  передается зонду гидравлическим домкратом  или весом груза.

     При использовании современных гидравлических установок оно равно

R_общ = pF_ц,

где p — показание манометра, отражающее давление в цилиндре гидравлического домкрата, кгс/см²; F_ц — площадь поршня гидравлического домкрата, см².Часть усилий, расходуемых на вдавливание зонда, расходуется на преодоление сил трения между зондом и породой. Если исключить эти сопротивления, получим сопротивление горных пород, оказываемое непосредственно проникновению конуса, т. е. сопротивление погружению конуса R_кон.

R_кон = R_общ – R_тр.

     Современные установки для статического зондирования позволяют производить измерение  общего сопротивления зондированию по показаниям манометра, а сопротивления  проникновению конуса — по показаниям динамометра и индикаторов часового типа.

Удельное  сопротивление статическому зондированию конусом равно

R_уд = R_кон / F_к ,

где F_к - площадь поперечного сечения конуса, см².

     Удельное  сопротивление — это сопротивление  горных пород проникновению конуса, приходящееся на единицу его поперечного  сечения. Международными конгрессами  по механике грунтов и фундаментостроению (IV в 1957 г. в Лондоне и V в 1961 г. в  Париже) было рекомендовано использовать для статического зондирования конус  диаметром 36 мм, площадью 10 см², с углом при вершине 60°.

     Сопротивление горных пород трению по боковой поверхности  зонда равно

R_тр = R_общ – R_кон

     Современные конструкции установок для статического зондирования позволяют измерять либо общее сопротивление горных пород  и сопротивление их погружению конуса, либо сопротивление проникновению  конуса и величину трения по боковой  поверхности зонда.

     При динамическом зондировании горных пород  основными показателями являются: а) показатель динамического зондирования N; б) глубина погружения зонда от определенного числа ударов стандартного молота S (это число ударов принято называть залогом); в) условное динамическое сопротивление горных пород R_д, кгс/см² (по ГОСТ 19912-74 обозначается p_д, т. е. не так, как оно обозначается международными индексами).

     Показателем динамического зондирования принято  называть число ударов молота, необходимое  для погружения зонда на определенную глубину. В нашей стране эта глубина  принята равной 10 см. Отсюда показатель динамического зондирования равен

N = 10n / S ,

где n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

     Показатель  динамического зондирования зависит  не только от сопротивления, оказываемого горными породами проникновению  зонда, но и от сил трения, развивающихся  по боковой поверхности зонда  при его погружении, и от увеличения его веса с глубиной. Поэтому при  обработке результатов испытаний  вводят соответствующие поправки на боковое трение пород и на увеличение веса зонда. Эти поправки приводятся в методических руководствах.

     Основным  показателем свойств горных пород  при динамическом зондировании считается  условное динамическое сопротивление  горных пород R_д. Только этот показатель предлагается ГОСТ 19912—74 и «Указаниями по зондированию горных пород для строительства» (СН 448—72). Его вычисляют по формуле

R_д = KП₀Фn / S ,

где K — коэффициент для учета потерь энергии при ударе, определяемый по специальной таблице; П₀ — коэффициент для учета влияния применяемого оборудования, определяемый по специальной таблице; Ф — коэффициент для учета трения штанг о горные породы, определяемый по данным двух испытаний, в одном из которых зондирование производится в процессе бурения; n — число ударов в залоге; S — глубина погружения зонда от принятого числа ударов молота в залоге.

     Для статического и динамического зондирования применяют разнообразные установки  и станки. Наиболее часто используют установки конструкции ГПИ Фундаментпроект  марки С-979, БашНИИ-промстроя марки  С-832 и ВСЕГИНГЕО марки СПК. Известны установки конструкции и других организаций.

     Также все применяемые в настоящее время методы можно разделить на две основные группы: методы изучения геологического строения разреза и методы прогноза нефтеносности.

К первой группе методов относятся:

·  высокоточная сейсморазведка, последующая обработка ее данных с применением процедуры миграции сейсмограмм до суммирования и дальнейшая их кинематическая интерпретация с использованием технологий, основывающихся на методе взаимных точек;

·  динамическая интерпретация данных сейсморазведки: прогноз типов разреза терригенных и карбонатных пород с различными коллекторскими свойствами по данным геологической типизации и спектрально-временного анализа (СВАН) сейсмической записи, а также его модификаций: факторного анализа спектрально-временных параметров (ФА СВП) и факторного анализа параметров спектра (ФА ПАРС);

·  решение обратной динамической задачи сейсморазведки с помощью программного комплекса ПАРМ (динамическая инверсия), получение разрезов псевдоакустических жесткостей (ПАЖ);

·  детальные аэрокосмогеологические исследования (АКГИ);

·  исследования сейсмическим локатором бокового обзора (СЛБО).

Ко второй группе методов относятся:

·  комплекс геохимических и геофизических методов (ГГХМ);

·  биогеохимическое тестирование (БГХТ);

·  нейросейсмическая обработка материалов сейсморазведки (<Нейросейсм>);

·  дифференциально-нормированный метод электроразведки (ДНМЭ). 
 

3. Свойства  горных пород

Пористость  горных пород

  Пористость  горных пород, совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах. Количественно  П. г. п. выражается отношением объёма всех пор к общему объёму горных пород (в долях единицы или процентах). Поры в горных породах по величине принято делить на субкапиллярные (менее 0,2 мк), капиллярные (0,2—100 мк), сверхкапиллярные (более 100 мк).

  По  форме поры могут быть различного типа — пузырчатые, каналовидные, щелевидные, ветвистые и т.п. Форма и размер отдельных пор и их взаимная связь  определяют геометрию порового пространства пород.

  Различают П. г. п. общую (или абсолютную, физическую, полную) — совокупность всех пор, заключённых  в горных породах; открытую (насыщения) — объём связанных (сообщающихся) между собой пор; закрытую — совокупность замкнутых, взаимно не сообщающихся пор. В нефтяной геологии выделяют также  эффективную П. г. п., т. е. совокупность пор, занятых нефтью, газом, и динамическую П. г. п. — объём пор, через которые  при определённых давлении и температуре  происходит движение насыщающих жидкостей  или газов; она всегда меньше общей  П. г. п.

  Наиболее  высокая П. г. п. свойственна почвам и рыхлым осадкам — пескам, глинам и др. (до 60—80% и более). Осадочные  и вулканогенные горные породы (песчаники, известняки, лавы, туфы и др.) характеризуются  большим диапазоном значений пористости (от 50 до 10% и менее). Магматические  и метаморфические породы обладают, как правило, малой пористостью (0,1—3%). С возрастанием глубины залегания  пород П. г. п. обычно уменьшается (особенно осадочных) и на больших глубинах может иметь очень малые значения.

  В лабораторных условиях П. г. п. определяется методами свободного, вакуумного (под  вакуумом) и принудительного (под  давлением) насыщения горных пород  жидкостью, а также методами, основанными  на расширении газа, и др. В полевых  условиях для оценки величины П. г. п. используются различные виды каротажа скважин. Результаты изучения П. г. п. используются для подсчёта запасов полезных ископаемых (например, нефти и газа), выборе технологии разработки полезных ископаемых и др.

Проницаемость пород и ее распределение

  Характер  движения нефти или газа к забою  добывающей скважины определяется двумя  основными факторами:

  физико-химическими  свойствами этих углеводородов;

  структурой  порового пространства среды – коллектора, в которой они распространяются.

  Для описания течения углеводородов  с учетом этих факторов, наряду с  другими характеристиками, вводится понятие проницаемости горной породы,

  характеризующей ее способность пропускать жидкости и газы. Для оценки проницаемости  пород обычно пользуются законом  фильтрации Дарси, согласно которому скорость фильтрации (просачивания) жидкости в  среде пропорциональна градиенту  давления и обратно пропорциональна  ее динамической вязкости  :

   .

  Перепишем эту формулу в скалярной форме  для одномерной задачи. Для этого  выделим образец породы длиной  , и предположим, что ее фильтрационные свойства одинаковы по всей длине. Тогда имеем

   , (1.1)

  где  - скорость линейной (плоскопараллельной) фильтрации,  - объемный расход жидкости в единицу времени,  - площадь фильтрации,  - перепад давления на выделенном участке пористой среды. Коэффициент пропорциональности в (1.1) называется коэффициентом проницаемости:

   .  (1.2)

  Величина  имеет размерность площади, и в системе СИ измеряется в  :

   .

  Совокупность  результатов, приведенных в [1] для  проницаемостей пород, приводятся в  табл. 1. Здесь еще раз отметим, что данные, приведенные в этой таблице, выбраны в качестве объекта  для анализа из-за важности рассматриваемой  характеристики. В силу специфики  представления материала, в [1] отсутствует  ссылка на первоисточники этой таблицы. Не понятно также, являются ли эти  результаты обобщением различных данных, полученных разными авторами, или  же они относятся к конкретному  месторождению. В последнем случае, общие рассуждения, которые приводятся ниже, могли бы представлять некоторый  практический интерес. Перейдем теперь к описанию характеристик, приведенных в табл. 2:

  i – номера интервалов, на которые  разбивается весь наблюдаемый  диапазон значений проницаемостей. Число таких интервалов в табл. 1 равно 10.

  Ni – число пород, проницаемости  которых лежат в i - том интервале.  Общее число исследованных пород  составляет  .

  pi – относительное число пород,  проницаемости которых попадают  в i- тый интервал:  , величина  равна относительной доле образцов с выделенной проницаемостью. На языке математической статистики  есть вероятность того, что проницаемость одной случайно выбранной породы из тысячи, попадет в интервал проницаемостей шириной  .

  Таблица 2