Дослідження гірських порід
В
даний час при інженерних дослідженнях широке застосування отримали методи
статичного і динамічного зондування. Це дуже прості методи
досліджень переважно піщаних і глинистих порід, що дають широку
інформацію про їх щільності, міцності, деформаційних властивостях і однорідності.
Крім того, за допомогою цих методів можна встановлювати зміна геологічного
розрізу по глибині, виявляти глибину залягання і потужність слабких верств і зон
щільних, міцних і корінних порід, а також зміни ступеня ущільнення, і
зміцнення штучно відсипаний або намитих порід у часі. Методи
зондування дозволяють отримувати необхідні дані для проектування та оцінки
умов будівництва пальових фундаментів, шпунтових огорож та інших видів
будівельних робіт.
Досліди
полягають у задавліваніі або забиванні в гірські породи зонда з конічним
наконечником (рідко грунтоноса-пробовідбірником). При статичному зондуванні
зонд задавлівается в породи, при динамічному - забивається. За тим
опорам, які надають гірські породи проникненню в них зонда,
судять про їх щільності, міцності та інших властивостях. Природно, що такі
дослідження гірських порід не є достатньо точними, вони дають
попередні, головним чином наближені уявлення про їх властивості.
При поєднанні методів зондування з іншими видами геологічних робіт,
результативність їх, тобто точність і достовірність, значно підвищуються.
Статичний
і динамічне зондування - це польові експрес - методи, для інтерпретації
результатів яких на попередніх стадіях вишукувань їх треба обов'язково
поєднувати з розвідувальними роботами - геофізичними і гірничо-буровими, а на
детальних - використовувати як додаткові з метою підвищення
детальності вишукувань в цілому та вирішення спеціальних питань (наприклад, при
проектуванні пальових фундаментів та ін.)
ГОСТ
20069-74 і 19912-74 і «Вказівки щодо зондування гірських порід для будівництва»
(СН 448-72) рекомендують при інженерних дослідженнях для конкретних будівель і
споруд зондування робити в межах їх контурів або не більше ніж у 5
м від них. Для одержання порівнянних даних частина точок зондування
рекомендується розташовувати на відстані не більше 5 м від розвідувальних виробок,
з яких здійснюють відбір монолітів гірських порід для лабораторних
досліджень і виконують інші польові дослідження. Практика показує, що
дані зондування необхідно розглядати спільно з даними, які отримуються
при бурінні свердловин та проходки гірничих виробок. Цього вимагають ГОСТ 20069-74 і
19912-74. Глибину зондування визначають виходячи з необхідності дослідження
певної товщі гірських порід як підстав будівель і споруд. Гранична
глибина зондування не повинна перевищувати 20-ти. Область застосування статичного
і динамічного зондування в залежності від виду та фізичного стану
гірських порід регламентується даними, наведеними в табл.1.
Таблиця
1.
Область
застосування статичного і динамічного зондування за СН 448-72
Вид і фізичний стан гірських порід
Спосіб зондування
статичний
динамічний
Піщані:
крупно-, середньо-, дрібно-та тонкозернисті вологі і ї
маловлажние;
крупно-, середньо-, дрібнозернисті водоносні;
Допускаються
тонкозернисті пиловані водоносні
Допускається
Не допускається *
Глинисті (супіски, суглинки і глини):
твердої, напівтверді і тугопластічной консистенції;
Допускаються
м'якопластичного, текучепластічной й текучої консистенції
Допускається
Не допускається *
Піщані і глинисті зі змістом великоуламкових
матеріалу
Не допускаються
при більш 25%
при більш 40%
Піщані водоносні
При визначенні динамічної стійкості
Не допускається *
Допускається
Всі види гірських порід в мерзлому стані
Не допускаються
Скельні і напівскельні
великоуламкових
Допускається
за спеціально розробленою методикою при проведенні експериментальних робіт.
При
статичному зондуванні основними показниками властивостей гірських порід є:
а)
загальне опір зондування Rобщ, кгс;
б)
опір занурення конуса Rкон кгс/см2;
в)
питомий опір занурення конуса Rуд. кон, кгс/см2;
г)
опір тертя по бічній поверхні зонда Rтр, кгс/см2.
Загальна
опір гірських порід - це те опір, що вони роблять
проникненню зонда. Воно рівне тому зусиллю (кгс), що передається зонду
гідравлічним домкратом або вагою вантажу.
При
використанні сучасних гідравлічних установок воно дорівнює
Rобщ
= PFц,
де
p - показання манометра, що відображає тиск в циліндрі гідравлічного
домкрата, кгс/см2; Fц - площа поршня гідравлічного домкрата, см2.Часть
зусиль, що витрачаються на вдавленням зонда, витрачається на подолання сил тертя
між зондом і породою. Якщо виключити ці опору, одержимо опір
гірських порід, що надається безпосередньо проникненню конуса, тобто
опір занурення конуса Rкон.
Rкон
= Rобщ - Rтр.
Сучасні
установки для статичного зондування дозволяють проводити вимірювання загального
опору зондування за показаннями манометра, а опору
проникненню конуса - за показаннями динамометра та індикаторів годинникового типу.
Питомий
опір статичного зондування конусом одно
Rуд
= Rкон/Fк,
де
Fк - площа поперечного перерізу конуса, см2.
Питомий
опір - це опір гірських порід проникненню конуса,
що припадає на одиницю його поперечного перерізу. Міжнародний конгрес з
механіки грунтів та фундаментобудівництва (IV в 1957 р. в Лондоні і V в 1961 р. в
Парижі) було рекомендовано використовувати для статичного зондування конус
діаметром 36 мм, площею 10 см2, з кутом при вершині 60 °.
Опір
гірських порід тертя по бічній поверхні зонда одно
Rтр
= Rобщ - Rкон
Сучасні
конструкції установок для статичного зондування дозволяють вимірювати або
загальне опір гірських порід і опір їх занурення конуса, або
опір проникненню конуса і величину тертя по бічній поверхні
зонда.
При
динамічному зондуванні гірських порід основними показниками є: а)
показник динамічного зондування N; б) глибина занурення зонда від
певної кількості ударів стандартного молота S (це число ударів прийнято
називати заставою); в) умовне динамічний опір гірських порід Rд,
кгс/см2 (за ГОСТ 19912-74 позначається після, тобто не так, як воно позначається
міжнародними індексами).
Показником
динамічного зондування прийнято називати число ударів молота, необхідне
для занурення зонда на певну глибину. У нашій країні ця глибина
прийнята рівною 10 см. Звідси показник динамічного зондування дорівнює
N
= 10n/S,
де
n - число ударів у заставі; S - глибина занурення зонда від прийнятого числа
ударів молота в заставі.
Показник
динамічного зондування залежить не тільки від опору, що чиниться
гірськими породами проникненню зонда, а й від сил тертя, що розвиваються по
бічній поверхні зонда при його зануренні, і від збільшення його ваги з
глибиною. Тому при обробці результатів випробувань вводять відповідні
поправки на бічне тертя порід і на збільшення ваги зонда. Ці поправки
наводяться в методичних посібниках.
Основним
показником властивостей гірських порід при динамічному зондуванні вважається
умовне динамічний опір гірських порід Rд. Тільки цей показник
пропонується ГОСТ 19912-74 і «вказівками по зондування гірських порід для
будівництва »(СН 448-72). Його розраховують за формулою
Rд
= KП0Фn/S,
де
K - коефіцієнт для обліку втрат енергії при ударі, який визначається за спеціальною
таблиці; П0 - коефіцієнт для врахування впливу застосовуваного устаткування,
який визначається за спеціальною таблицею; Ф - коефіцієнт для врахування тертя штанг про
гірські породи, що визначається за даними двох випробувань, в одному з яких
зондування виробляється в процесі буріння; n - число ударів у заставі; S --
глибина занурення зонда від прийнятого числа ударів молота в заставі.
Для
статичного і динамічного зондування застосовують різноманітні установки і
верстати. Найбільш часто використовують установки конструкції ДПІ Фундаментпроект
марки С-979, башта-промбуда марки С-832 і ВСЕГІНГЕО марки СПК. Відомі
установки конструкції та інших організацій.
Пористість гірських порід
Пористість
гірських порід, сукупність пустот (пор), укладених в гірських породах.
Кількісно П. г. п. виражається відношенням об'єму всіх пор до загального обсягу
гірських порід (в частках одиниці або відсотках). Пори в гірських породах за величиною
прийнято ділити на субкапіллярние (менше 0,2 мкм), капілярні (0,2-100 мкм),
сверхкапіллярние (більше 100 мкм).
За
формі пори можуть бути різного типу - пухирчасті, каналовідние, щілиноподібні,
гіллясті і т.п. Форма і розмір окремих пір і їх взаємний зв'язок визначають
геометрію порового простору порід.
Розрізняють
П. р. п. загальну (або абсолютну, фізичну, повну) - сукупність всіх пір,
ув'язнених у гірських породах; відкриту (насичення) - обсяг пов'язаних
(сполучених) між собою пор; закриту - сукупність замкнутих, взаємно не
сполучених пір. У нафтовій геології виділяють також ефективну П. р. п., т.
тобто сукупність пір, зайнятих нафтою, газом, і динамічну П. р. п. - обсяг
пір, через які за певних тиску і температурі відбувається рух
насичує рідин або газів; вона завжди менше загальної П. р. п.
Найбільш
висока П. р. п. властива грунтів і рихлим опадів - пісків, глин і ін (до
60-80% і більше). Осадові і вулканогенні гірські породи (пісковики,
вапняки, лави, туфи та ін) характеризуються великим діапазоном значень
пористості (від 50 до 10% і менше). Магматичні і метаморфічні породи
мають, як правило, малою пористістю (0,1-3%). Зі зростанням глибини
залягання порід П. р. п. звичайно зменшується (особливо осадових) і на великих
глибинах може мати дуже малі значення.
В
лабораторних умовах П. р. п. визначається методами вільного, вакуумного
(під вакуумом) і примусової (під тиском) насичення гірських порід
рідиною, а також методами, заснованими на розширенні газу, і ін У польових
умовах для оцінки величини П. р. п. використовуються різні види каротажу
свердловин. Результати вивчення П. м. п. використовуються для підрахунку запасів
корисних копалин (наприклад, нафти і газу), виборі технології розробки
корисних копалин та ін
Проникність порід і її розподіл
Характер
руху нафти або газу до вибою видобувної свердловини визначається двома
основними факторами:
фізико-хімічними
властивостями цих вуглеводнів;
структурою
порового простору середовища - колектора, в якій вони поширюються.
Для
опису течії вуглеводнів з урахуванням цих факторів, поряд з іншими
характеристиками, вводиться поняття проникності гірської породи,
що характеризує
її здатність пропускати рідини і гази. Для оцінки проникності порід
зазвичай користуються законом фільтрації Дарсі, згідно з яким швидкість
фільтрації (просочування) рідини в середовищі пропорційна градієнту тиску і
обернено пропорційна її динамічної в'язкості 
:
.
Перепишемо
цю формулу в скалярною формі для одновимірної завдання. Для цього виділимо зразок
породи довжиною 
, і
припустимо, що її фільтраційні властивості однакові по всій довжині. Тоді
маємо
, (1.1)
де
- швидкість
лінійної (плоскопараллельной) фільтрації, 
- об'ємний
витрата рідини в одиницю часу, 
- площа
фільтрації, 
- перепад
тиску на виділеній ділянці пористого середовища. Коефіцієнт пропорційності у
(1.1) називається коефіцієнтом проникності:
. 
(1.2)
Величина
має
розмірність площі, і в системі СІ вимірюється в 
:
.
Сукупність
результати, наведені в [1] для проникності порід, наводяться в табл. 1.
Тут ще раз зазначимо, що дані, наведені в цій таблиці, вибрані в
як об'єкт для аналізу з-за важливості даної характеристики. У
Через специфіку представлення матеріалу, в [1] відсутнє посилання на
першоджерела цієї таблиці. Не зрозуміло також, чи є ці результати
узагальненням різних даних, отриманих різними авторами, або ж вони відносяться
до конкретного родовища. В останньому випадку, загальні міркування, які
наводяться нижче, могли б представляти певний практичний інтерес. Перейдемо
тепер до опису характеристик, наведених у табл. 1:
i
- Номера інтервалів, на які розбивається весь спостережуваний діапазон значень
проникності. Число таких інтервалів в табл. 1 одно 10.
Ni
- Число порід, проникності яких лежать у i - тому інтервалі. Загальне число
досліджених порід складає 
.
pi
- Відносне число порід, проникності яких потрапляють у i-тий інтервал: 
, величина 
дорівнює
відносну частку зразків з виділеною проникністю. Мовою
математичної статистики 
є
ймовірність того, що проникність однієї випадково вибраної породи з тисячі,
потрапить у інтервал проникності шириною 
.
Таблиця
1
i
Інтервал проникності
(мкм2)
Ni
pi
1
0 - 0,2
4
0,004
2
0,2 - 0,4
126
0,126
3
0,4 - 0,6
230
0,230
4
0,6 - 0,8
260
0,260
5
0,8 - 1,0
130
0,130
6
1,0 - 1,2
120
0,120
7
1,2 - 1,4
50
0,050
8
1,4 - 1,6
30
0,030
9
1,6 - 1,8
30
0,030
10
1,8 - 2,0
20
0,020
Порода-колектори
Колектори
нафти і газу - гірські породи, які володіють ємністю, достатньою для того,
щоб вміщати УВ різного фазового стану (нафта, газ, газоконденсат), і
проникністю, що дозволяє віддавати їх у процесі розробки. Серед
колекторів нафти і газу переважають осадові породи. У природних умовах
поклади нафти і газу найчастіше приурочені до теригенними і карбонатною
відкладів, в інших осадових товщах вони зустрічаються значно рідше. Магматичні
і метаморфічні породи не є типовими колекторами. Знаходження в цих
породах нафти і газу - це наслідок міграції вуглеводнів у виветрелую частина
породи, де в результаті хімічних процесів вивітрювання, а також під
впливом тектонічних процесів могли утворитися в?? орічние пори і
тріщини.
Нафтові
та газові родовища на земній кулі зустрічаються в різних районах, в межах
різних гео-елементів. Вони відомі як в геосинклінальних, так і
в платформних областях і передгірних прогину.
Скупчення
нафти і газу встановлені в відкладах різного віку, починаючи від кембрію і
закінчуючи верхнім пліоцені. Крім того, відомі скупчення нафти і газу як до
більш давніх докембрійських, так і в більш молодих четвертинних відкладеннях.
Найбільша кількість покладів в розрізі осадового чохла на території колишнього
СРСР припадає на відклади кам'яновугільного (29%), девонського (19%) і
неогенового (18%) віку.
За
різними оцінками, запаси нафти розподіляються в колекторах такий спосіб: у
пісках і пісковиках - від 60 до 80%; у вапняках і доломітах - від 20 до 40%;
в тріщинуватих глинистих сланцях, виветрелих метаморфічних та вивержених
породах - близько 1%. У країнах Близького та Середнього Сходу розробляються
головним чином карбонатні колектори мезозойського віку. На території
колишнього Радянського Союзу більше 70% нафтових і газових покладів приурочені до
теригенними порід-колекторів.
Основні ознаки порід-колекторів
До
основними ознаками, що характеризує якість колектора, відносяться пористість,
проникність, щільність, насичення пір флюїдами (водо-, нафто-і
газонасиченості), смачіваемость, пьезопроводность, пружні сили пласта.
Сукупність цих ознак, виражених кількісно, визначає колекторські
властивості породи.
Пористість
- Сукупність всіх пір незалежно від їх форми, розміру, зв'язки один з одним.
Поняття пористості відповідає повній пористості породи і чисельно виражається
через коефіцієнт пористості:
Кп
= Vпор/Vпороди
