CC BY
55
УДК 550.837
Л.А. Беляева, И.И. Вредней, X. Оюунбилэг, С.С. Сысков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ОБРАЗЦОВ МАЛОПОРИСТЫХ ГОРНЫХ ПОРОД С УЧЕТОМ ИХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВЛАЖНОСТИ
По классификации А.Г. Тархова [10J, большинство изверженных и метаморфических горных пород, а также некоторые гидрохимические осадки относятся к категории малопористых. Их эффективная объемная пористость (удельный объем сквозных пор) не превышает 3-5 % .
По многочисленным справочным данным, приведенным в работах [3, 10, II], удельное электрическое сопротивление (УЭС) скелета обезвоженной горной породы, не содержащей рудных включений и глинистого материала, составляет не менее Ю9-Ю10 Ом м. Это соответствует минимальному удельному сопротивлению сухих породообразующих минералов, на 7-8 порядков превышающему сопротивление поровой воды. При этом условии электропроводность ппдпнясыщеннпй породы обеспечивается исключительно за счет поровой влаги и не зависит от минерального состава скелета 110, 11, 3].
Поскольку удельное сопротивление малопористых кристаллических пород зависит от их эффективной объемной влажности, УЭС поровой влаги и структуры пор, то установлению эмпирических зависимостей между УЭС водонасыщенной породы и объемной влажностью (эффективной пористостью) уделялось большое внимание [6. 7]. Однако при проведении таких исследований не определялся параметр пористости, или относительное сопротивление Ра водонасыщенной горной породы
Л" А./А.
где f\n - УЭС водонасыщенной породы, а /Л - УЭС поровой влаги.
Относительное сопротивление />„, зависящее только от объемной влажности и структуры норового пространства, давно и успешно применяется для характеристики пород с высокими (более 5-10 %) коллекторскими свойствами (2). Дтя пород малопористых, судя по имеющимся публикациям, этот параметр изучен совершенно недостаточно. Поэтому на кафедре геофизики Уральской государственной горно-геологической академии были выполнены исследования этого параметра для нескольких разновидностей изверженных и метаморфических горных пород (3, 11 ].
В процессе этих исследований для небольшого количества образцов по стандартной методике [1, 4] оценивались такие характеристики, как объемная влажность, плотность, удельные сопротивления водонасышенного образца и поровой влаги. УЭС поровой влаги определялось методом двух растворов.
В процессе этих работ выяснилось, что из всех перечисленных параметров, влияющих на величину относительного сопротивления Рп, наибольшая погрешность оказалась при оценке объемной влажности образцов (3). Это было обусловлено самой методикой определения влажности образцов, рекомендуемой соответствующими руководствами [1. 2, 4. 5. 6 и др.].
Описанная в них методика оценки влажности образцов горных пород основана на свободном водонасышении, широко используется на практике и сводится к следующему (Беликов и др., 1964):
1. Образцы в виде кубиков (размером 50x50x50 ил* 70x70x70 мм) или цилиндриков (высотой и диаметром 50 и 70 мм) высушивают до постоянного всса в сушильном шкафу при температуре 105 °С. После высушивания образцы охлаждают в эксикаторе и взвешивают, определяя вес сухого образца - g{.
2. Высушенные и взвешенные образцы укладывают в банку или кристаллизатор с водой. При этом уровень воды должен быть выше верха образцов не менее 2 см. В таком положении образцы выдерживают в воде в течение 5-45 суток. После этого образцы вынимают из воды, обтирают и при 45-суточном насыщении взвешивают после 1-х. 3-х. 5-к, 10-х, 15-х, 20-х, 30-х, и 45-х суток, определяют вес водонасышенного образца (g,) и вычисляю* объемную влажность:
fy = (g.-gc)o/g(. О)
где о - плотность образца.
Вес воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, должен включаться в всс насыщенного водой образца gt. Выбор срока насыщения образцов водой определяется водоустойчивостью пород и видом использования их для проектируемых сооружений.
Описанная методика использовалась нами для оценки сквозной пористости образцов малопористых (<5 %) горных пород при исследовании зависимости их удельного электрического сопротивления от пористости (3, 7, 11]. Основной причиной ошибок при оценке объемной пористости образцов оказалось влияние их поверхностной влажности и отсутствие надежного способа учета этого влияния. Так, например, при обычном для данной методики весе образцов в 50 -60 г объем водной пленки и воды в тупиковых порах на поверхности образца оказывался вполне соизмеримым с объемом его сквозной пористости, а нередко и превышал последний (3).
Для учета влияния поверхностной влажности стандартная методика была дополнена нами изучением динамики насыщения каждого исследуемого образца. Необходимость этого была в свое время убедительно доказана В.И. Старостиным и Ю.И. Дёминым, установившими многостадийность и экспоненциальный характер процесса вэдонасыщения [8. 9]. Изучение динамики водонасышения, по мнению этих исследователей, позволяло более полно охарактеризовать фильтрационные свойства рудовмещакицих горных пород и структуру их норового пространства, важные для понимания условий рудообразования.
На основании результатов исследований авторов и данных работ |8, 9) закон свободного водонасышения образцов горных пород может быть представлен в следующем виде:
И'(/) = Хи:-[1-ехр(-//г,)], (2)
>■1
где IV - объемная влажность образца в момент времени г, IV,- асимптотическое значение влажности /-го этапа водонасышения; г, - постоянная времени, характеризующая скорость заполнения пор разного диаметра и соответствующая /-му этапу водонасышения образца.
Как было установлено при свободном водонасыщснии [9, 3), постоянная времени первой стадии г,, не превышает обычно нескольких десятков секунд. Асимптотическое значение влажности этого этапа IV, соответствовало, на наш взгляд, объему влаги в тупиковых углублениях и неровностях поверхности образца, а также в водной пленке на нем. Временная характеристика (г?) следующего этапа составляет не более первых минут. Эта стадия водонасышения связывается нами с заполнением крупных трещин и менисков пор сравнительно большого диаметра. Обе эти стадии в сумме, по нашему мнению, соответствовали т. н. "условно-мгновенному насыщению" [8, 9]. Заполнение водой основного объема сквозных капилляров начинается спустя десятки часов - первые сутки и продолжается несколько десятков суток (3, 8, 9].
Отличительная особенность наших исследований состояла в том, что для оценки поверхностной влажности водонасыщенный образец взвешивался через определенные промежутки времени в процессе испарения влаги из образца. При этом предполагалось, что как при насыщении, так и при испарении влаги сохраняется экспоненциальный характер этих процессов. Такое допущение позволило простыми приемами оценить вклад каждого этапа водонасышения в суммарную влажность образца.
Таким образом, для учета влияния поверхностной влажности стандартная методика определения эффективной пористости была дополнена нами изучением динамики испарения каждого водонасыщенного образца. Высыхающий образец взвешивался на аналитических весах в следуйте моменты времени после извлечения из воды: 1 мин., 2 мин., 5 мин., 10 мин., 20 мин., 40 мин., 90 мин., 3 час., 6 час., 1 сут., 3 сут., б сут., 12 сут., 16 суток. Примеры графиков испарения для лвух типов пород показаны на рис. 1 и 2. Оценка влажности образцов методом испарения подробно описана в работе (4], однако в этой работе не обсуждачся учет влияния поверхностной влаги на результаты измерений. Более того, рекомендуемая в работе (4) методика расчета влажности по измерениям этим способом представляется нам сомнительной.
Учет поверхностной влажности с помощью графиков испарения осуществлялся нами двумя способами. Первый из них основывался на многостадийности и экспоненциальном характере процесса водонасышения, установленными В.И. Старостиным и Ю.И. Дёминым (1970, 1973). Для процесса испарения, по аналогии с водонасыщенисм, нами было принята следующая зависимость изменения влажности образца при высыхании:
Щ1) - ¡У0 ■ ехр(-1/т0) * И', ■ ехр(-£/Г|), (3)
где Щ) - объемная влажность образца в момент времени /; 1У0 и - асимптотические значения влажности разных этапов водонасышения: х<), П - постоянные времени, характеризующие скорость испарения для этих этапов.
о
1
10
100 1000 10000 I, мин
Рис. I. Определение влажности образца крупнозернистого песчаника по кривой испарения разделением се на отдельные экспоненты
Как видно из рис. 1, на графике испарения IV отчетливо видны две стадии процесса испарения. Первая из них связана, по нашему мнению, с поверхностной влажностью ("условно-мгновенное насыщение", по Старостину, 1973): 1Уо = 1.0 % и гь = 24 мин и показана на рисунке графиком пол номером 1. Вторая часть графика И'соответствует экспоненте с параметрами И', = 1.2% и Г| = 2240 мин. Она показана на рис. 1 графиком 2 и характеризует основной объем сквозных пор исследуемого образца. Таким образом, если бы определять объемную влажность образца стандартной методикой [1, 4, 5, 6), то для данного образца она оказалась бы равной 2,2 %. а с учетом поверхностной влажности ее следует принять 1,2 %.
В процессе оценки пористости по кривым испарения оказалось, что для нескольких образцов одной породы (т. н. параллельных образцов), объемы которых отличались на 30-50 % и более, относительные влажности первого лапа значительно отличаются, а графики испарения для основного объема пор совпадают.
I, мин
Рис.2. Графики испарения параллельных образцов гранита с объемами: о — 11 см1; 6-26 см'
По точке расхождения графиков испарения для параллельных образцов (крестик на рис. 2) нетрудно оценить влияние поверхностной пористости и относительную влажность основного объема сквозных пор. Так, на рис. 2 для двух параллельных образцов гранита с объемами 11 куб. см (график а) и 26 куб. см (график Ь) удельный объем основных пор равен 0,65 %, а поверхностная влажность составила 1,15 и 0,65 % объема образцов, соответственно. Графики I и 2 характеризуют поверхностную влажность для каждого из параллельных образцов, а график 3 - объемную влажность основных пор образцов, принятую для обоих образцов равной 0,65 Уо.
Таким образом, для определения объемной влажности образцов малопористых горных пород : учетом поверхностной влажности нами предлагается следующая методика.
1. Образец горной породы, размер и вес которого соответствует требованиям стандартной методики [1. 4, 5, 6], высушивают в сушильном шкафу и взвешиванием на технических весах определяют вес сухого образца.
2. Образец замачивают в воде в течение 20-40 суток.
3. Образец вынимают из воды, обтирают фильтровальной бумагой или ветошью, помещают на весы и в течение 15-30 минут путем взвешивания через определенные промежутки времени получают кривую испарения, по которой оценивают объем поверхностной влаги любым из двух описанных выше способов.
4. Определяют объем влаги в сквэзных порах, вычитая из веса мокрого образца вес сухого образца и вес поверхностной влаги.
Такой способ учета влияния позерхностной влаги при оценке эффективной пористости представляется нам более надежным, чем применявшийся В.И. Старостиным расчет т н. "условно-мгновенного насыщения", для которого нужно располагать сведениями о радиусе поровых каналов, их эффективной длине, градиенте давления и некоторых других параметрах [8, 9]. Ошибки при аналитических расчетах "услопно-мгновекного насыщения" (суммарная влажность начальных стадий водонасышения, связанная, по нашему мнению, исключительно с поверхностной влажностью образца), приводят к искажению кривых насыщения и неверной оценке эффективной пористости образца. Такие искажения отчетливо видны, например, на пяти из семи графиков насыщения, приведенных в работе [8], хотя исходные данные для построения кривых насыщения были вполне доброкачественными. Подробный анатиз таких ошибок приведен нами в работе [3].
Наконец, необходимо отметить, что при проведении нами описанных выше исследований был разработан и опробован уннверсатьный, и, как нам представляется, не имеющий анаюгов способ учета поверхностной влажности при оценке истинной объемной влажности образцов горных пород. Сущность его заключается в гидростатическом взвешивании водонасьпценного (g,r), а потом высушенного (#„) образца. Разница этих весов соответствует весу жидкости в порах образца. Тогда объемная влажность определится как
(4)
где о - плотность образца, определенная с помощью денситометра; ge, и gcr- вес водонасьпценного и высушенного образца при гидростатическом взвешивании, соответственно.
Как отмечаюсь выше, у мапопор истых (^<5 %) образцов основной объем пор начинает насыщаться спустя десятки часов - первые сутки (3, 8, 9]. Поэтому при гидростатическом взвешивании высушенного матопористок» ибразца к течение начального периода взвешивания (несколько первых минут) насыщением основного объема пор можно пренебречь. При таком способе определения суммарного веса поровой жидкости влияние поверхностной влажности полностью отсутствует.
Эта же методика пригодна и для высокопористых образцов, но их при оценке ga необходимо парафинировать, а потом учитывать вес и объем парафина.
Способ гидростатического взвешивания очень удобен при изучении динамики водонасыщения. Для этого нужно уравновесить рычажные весы при погружении в воду подвешенного на одном из рычагов высушенного образца, а потом в определенные моменты времени уравновешивать весы по мере насыщения образца водой.
На рис. 3 жирным графиком 1 с точками, соответствующими моментам измерений, изображена кривая насыщения для образца мелкозернистого песчаника, полученная способом гидростатического взвешивания. По оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложено вр>смя насыщения в минутах, а по оси ординат - в линейном масштабе эффективная влажность в %, вычисленная по формуле (4). Общее время эксперимента составило 119 суток, т. е. почти 4 месяца. На графике отчетливо видны участки резкого увеличения влажности, соответствующие интерватам насыщения пор различного диаметра, точно так же, как это показано В. И. Старостиным в работе [9]. По способу гидростатическою взвешивания для образца мелкозернистого песчаника суммарная объемная влажность получилась около 2,4 % . Кривая насыщения была аппроксимирована в соответствии с формулой (2) суммой двух экспонент с параметрами W, = 1,3 % и Т\ = 3500 мин, W, =1,05 % и г> = 120000 мин. На рис. 3 сумма этих экспонент показана пунктирным графиком 2.
мни
Рис, 3. К" опенке объемно»! влажности образцов мелкозернистого песчаники способами испарения и водонпсыщения
Для сравнения на том же рисунке приведено определение влажности способом параллельных образцом го г о же Мелкозернистого песчаника, отличающихся объемами примерно на 30 % (графики и и 6 на рис. 3). Графики испарения для этих двух образцов примерно через 30 минут практически совпали. На рисунке этот момент обозначен крестиком и стрелкой. По способу параллельные образцов мелкозернистого гранита влажность оказалась равной примерно 2.25 %, что неплохо согласуется с данными способа гидростатическою взвешивания. Однако последний представляется более технологичным и точным, с точки зрения более строгого учета влияния поверхностной влажности, и может быть рекомендован для практического использования
БИБЛИОГТАФИЧБС КИЙ СПИСОК
I Беликов БД|Н Зялесекнй Б.В.. Розанов Ю.А. и др, Методы исследования ф)гшкО-механических свойств горных пород '/ Физико-механические свойства горных пород. М,: Наука 196-1.
2. Дяхиов R.Ii. Геофизические методы определения коллекторе*их свойств И нефтсгагонасыщения пород. М: Недра, 1975. 344 С.
3 Дутлов Е.В., Оюуибмлэг X., Сысков С.С.. Сули и ч и и ков A.B., Черных И.В. Об относительном сопротивлении и дннамиче насыщения малопориг.тых кристаллических пород Урал, roc горно-геол. акад. Екатеринбург, 2000 Деп. и ВИНИТИ. 07.06.2000. AS? 1636-800 lie
4. Кобра нов я В.Н., Извеков Б.И., Иацсоич С.Л., Шиирцчаи М.Д. Определение Астрофизических характеристик но обратим М.. Недра, 1977. 432 с.
5. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-мсханнческих енонсгн горных пород. Л.. Недра, 1972 312 с.
6. Петрофизнка: Справочник, В трех книгах. Книга первая. Горные породы и полезные Ископаемые ' Под ред. H Ь. Дортмап. M.: 11едра.1992. 391 с
7. Редозубон А,А. Об электрическом сопротивлении пород, вмещающих колчеданные месторождения Урала II Методика поисков и разведки глубоко залегающих рудных месторождений Вып. 128. Свердловск: Изд. СГИ. 1975. С. 53-61
8 Старостин В.И., Демин К).И. О графиках насыщении рудовмещающих сорных пород h Вестник МГУ, сер. геолог. № 5. М.: Изд. МГУ, 1970. с. 102-105.
9. Старостин В.И. Структура пороного пространства и динамика насыщения рудоносных пород колчеданных и полиметаллических месторождений /I Роль физико-мехлничсскнх свойс1в горных пород и локализации эндогенных месторождений. М.; Наука, 1973 240 с.
10 Тархов А.Г, О сопротивлении и диэлектрической постоянной горных пород в переменных электрических полях //Мат-лы ВСЕГЕИ Геофизика, сб. 12. М.-П Госгсолиздат, 19'18. С. 3-42.
11. Сысков С.С. К оценке анизотропии электропроводности трещиноватой породы Уральская гос. горно-гсол. акад. Екатеринбург. 1999 Деп. в ВИНИТИ, Xi885-В99 9 с.
