Гранулометрический (механический) состав горных пород

Гранулометрия (от лат. granulum - зернышко и...метрия), гранулометрический анализ, механический анализ - совокупность приёмов определения гранулометрического состава горных пород. Обломочные горные породы состоят из минеральных и органических частиц различного размера. Эти частицы разделяются по их размеру на определённые комплексы, или фракции. Под гранулометрическим (механическим) составом породы (кернов) понимают количественное содержание в них частиц различной величины в процентах по весу. Механический состав пород определяют ситовым и седиментационным анализом. Разделение песчаных фракций (с размерами частиц от 0.074 мм до 2-3 мм) производится просеиванием через наборы сит с соответственными отверстиями – так называемый ситовой анализ. Разделение более мелких частиц производится гидравлическими методами, основанными либо на различии скорости осаждения частиц разного размера в спокойной воде, либо на способности струи различной скорости течения увлекать частицы разного размера.

От грансостава зависят такие важные свойства по­ристой среды как пористость, проницаемость, удельная поверхность, капиллярные свойства и т. д. Часто гранулометрический состав горных пород, именно терригенных, а их в земной коре в осадочном комплексе до 85-95 %, позволяет решить так называемую обратную задачу, а именно - изучить прошлое суши, что облегчает поиск нефти и газа, а также других полезных ископаемых.

При проведении ситового анализа сита располагают при рассеве таким образом, чтобы вверху было сито с наиболее крупными размерами отверстий (рис. 4.1.1).

Рис. 4.1.1. Сита.

В него насыпают навеску породы и ведут просеивание.После этого взвешивают породу, оставшуюся на каждом сите, а результаты ситового анализа записывают в таблицу. Деление различных фракций терригенных пород по величине обломочного материала в соответствии с классификацией Л.Б. Рухина (Методы изучения осадочных пород) Гостопиздат.-М.-1957. - 611 с.) приводится в таблице 4.1.1.

(b) Таблица 4.1.1

Фракция	Обозначение	Размер зерен, мм
Глинистая мелкопелитовая	Гл м/п	< 0.001
Глинистая крупнопелитовая	Гл к/п	0.001-0.01
Алевролитовая мелкозернистая	А м/з	0.01-0.05
Алевролитовая крупнозернистая	А к/з	0.05-0.1
Песчаная мелкозернистая	П м/з	0.1-0.25
Песчаная среднезернистая	П с/з	0.25-0.5
Песчаная крупнозернистая	П к/з	0.5-1.0
Песчаная крупнозернистая	П г/з	> 1.0

 

Размер основной массы зерен песка в нефтяных месторождениях колеблется обычно в пределах 1.25—0.05 мм. Для Пермского Прикамья размер главной массы зерен песка в нефтяных месторождениях - 0.05 - 0.25 мм.

Методы седиментационного разделения частиц по фракциям основаны на различной скорости осаждения зерен разного размера в вязкой жидкости. По формуле Стокса скорость падения в жидкости частиц сфери­ческой формы равна

, (1)

где d — диаметр частиц в м; u — скорость осаждения частиц в м/сек; r_ж — плотность жидкости в кг /м³; r_п — плотность вещества частицы в кг/м³; g — ускорение силы тяжести в м/сек²; n — кинематическая вязкость в м²/сек.

Формула (1) справедлива при свободном нестесненном движении зерен; чтобы не было влияния концентрации частиц на скорость их падения в дисперсной среде, содержание твердой фазы в суспензии не должно превышать по весу 1 %.

Существует большое разнообразие методов седиментационного анализа. Наибольшее распространение в лабораториях по исследованию грунтов получили методы отмучивания током воды, отмучивания сливанием жидкости (метод Сабанина) и метод взвешивания осадка при помощи весов Фигуровского.

При отмучивании током воды грунт помещают в конический или цилиндрический сосуд, через который создают ток воды, направленный снизу вверх. Регулируя скорость движения воды, добиваются выноса из пределов сосуда частиц определенного диаметра, величина которого также может быть определена при помощи формулы Стокса.

При отмучивании сливанием жидкости частицы разного размера разделяют путем слива после определенного времени отстаивания верхней части столба суспензии с мелкими частицами, не успевшими осесть на дно сосуда.

Наиболее совершенный метод седиментационного анализа - взвешивание осадка. Хорошо перемешанную суспензию вливают в ци­линдрический сосуд, в который опускают тонкий стеклянный диск, подвешенный на плечо седиментометрических весов Н. А. Фигуровского (рис. 4.1.2).

1- стеклянный стержень (коромысло); 2 – нить; 3 – цилиндрический сосуд;

4 – стеклянный диск; 5 – отсчетный микроскоп.

Рис. 4.1.2. Схема весов Фигуровского.

 

Хорошо перемешанную суспензию вливают в цилиндрический сосуд 3, в который опускают тонкий стеклянный диск 4, подвешенный на плечо седиментометрических весов Фигуровского Н.А. Выпадающее частицы суспензии отлагаются на стеклянном диске. По мере отложения осадка равновесие весов нарушается и для восстановления его требуется дополнительная нагрузка. Регистрируя время и нагрузки, получают данные, которые затем обрабатывают.

Каждый из указанных видов анализа имеет свою ценность и практическое значение. Так, например, для выбора ширины щелей фильтра и размера зерен гравийного фильтра необходимо проводить ситовой анализ, а для гидравлических расчетов, связанных с выносом и оседанием песка в жидкости, надо проводить седиментометрический анализ.

Результаты определения гранулометрического состава, полученного совместно ситовым и седиментометрическим способами, представляются в виде таблицы и оформляются графически. Наиболее распространёнными графиками являются гистограммы, кривые распределения зерен песка по размерам и суммарного состава (кумулятивные кривые). Кривые распределения строятся так, что по оси абсцисс откладываются размеры фракций, а по оси ординат - содержание каждой фракции в исследуемой породе в % по массе (рис. 4.1.3):

Средний диаметр частиц (d), мм

Рис. 4.1.3. Кривая распределения зерен песка по размерам.

 

На кумулятивной кривой, в отличие от кривой распределения, по оси ординат откладываются нарастающие массовые, или весовые m, проценты (рис. 4.1.4), а по оси абсцисс — диаметры частиц d_срк:

∙100% (2)

(3)

где n – количество сит, k – количество фракций.

Средний диаметр частиц, мм

Рис. 4.1.4. Кривая суммарного гранулометрического состава.

 

Анализ можно изобразить также в виде точки на треугольнике (чем ближе точка к какой-либо вершине треугольника, тем больше в данной породе фракции, соответствующей этой вершине).

На кривой второго графика (рис. 4.1.4) надо обратить внимание не только на характер кривой, но и на три характерные точки на кривой.

Точка 1, соответствующая размеру отверстия сита, на котором задерживается 10% более крупных фракций, а 90% более мелких фракций проходит через сито; перпендикуляр, опущенный из этой точки на ось абцисс дает диаметр зерен песка d₉₀, по которому определяется, например, размер щелей фильтра, спускаемого в скважину и служащего для ограничения количества песка, поступающего из пласта.

Ширину наиболее распространенных прямоугольных щелей фильтра ориентировочно находят, удваивая указанный диаметр зерен d₉₀. А диаметр круглого отверстия фильтра получают умножением этого диаметра зерен d ₉₀ на три. Чтобы получить диаметр гравия в гравийных фильтрах, надо указанный диаметр зерен d ₉₀ умножить на 10¸12.

Точка 2, соответствующая 60%-ному суммарному весовому составу, включая все более мелкие фракции, используется для определения коэффициента неоднородности.

Точка 3, соответствующая 10%-ному суммарному весовому составу, включая все более мелкие фракции, дает так называемый эффективный диаметр частиц. Отношение d₆₀/d₁₀ характеризует коэффициент неоднородности песка.

Для совершенно однородного песка, все зерна которого равны между собой, кривая суммарного состава выразится вертикальной прямой линией, а коэффициент неоднородности будет равен К_н=d₆₀/d₁₀ =1. Коэффициент неоднородности пород нефтяных месторождений колеблется в пределах 1,1—20.

Метод отмучивания и ситового рассева наиболее распространен на практике, прост в исполнении и экономичен. Однако точность и информативность его низкая, поскольку позволяет выделять ограниченное (не более 7) количество дискретных классов зернистости. Как подчёркивается в специальной литературе (Методы палеогеографических реконструкций (при поисках залежей нефти и газа)/ Гроссгейм В.А., Бескровная О.В., Геращенко И.Л.-Л.: Недра, 1984. - 271 с.), гранулометрический анализ давно нуждается в кардинальной модернизации.

С целью повышения одновременно точности и экспрессности гранулометрического анализа применяется лазерный дифракционный микроанализатор “Analysette’’ фирмы FRITSCH. Прибор работает на основе оптического сходящегося лазерного луча и принципа рассеивания электромагнитных волн от взвешенных в жидкости частиц. Исследуемая проба вносится в сходящийся лазерный луч, который сканирует пробу и отклоняется на определенный угол в зависимости от диаметра и оптических свойств частиц. Программа математической обработки обеспечивает непрерывный расчёт размера зёрен и выдачу графиков в интегральном и дифференциальном виде, а также полную статистику по любым классам зернистости (среднее арифметическое, геометрическое, гармоническое, мода, медиана, коэффициенты сортировки, асимметрии и др.) и пересчёт в другие виды анализов (рис. 4.1.5).

Рис. 4.1.5. Дифференциальное (f) и интегральное (F) распределения грансостава.

Характерная особенность прибора “Analysette’’- большой диапазон измерения размеров частиц (0.1-1250 мкм). На основании дифференциальных (f) и интегральных (F) распределений оценивались усредненные параметры обломочного материала в целом:

- Мо - модальное значение, соответствующее максимуму на кривой f;

- Ме - медианное значение, соответствующее 50 % на кривой F;

- Срг - среднегеометрическое значение, рассчитываемое по формуле:

Срг=Sn_i*Lg`d_i/Sn_i (4)

где n_i – доля фракции, `d_i - средний диаметр зернистости;

- Кс -коэффициент сортировки:

Кс=Q₃/Q₁, (5)

где Q₃ и Q₁ –квантили размерности на кривой F соответственно при 75% и 25%; при Кс=1-2.5 сортировка считается хорошей, при Кс=2.5-4.5 – средней, при Кс >4.5 – плохой;

- Ка - коэффициент ассиметрии модальной величины относительно медианной согласно формулы:

Ка= Q_3*Q₁/(Ме)², (6)

при Мо<Ме величина Ка >1, при Мо>Ме величина Ка <1.

Такие графики позволяют быстро идентифицировать тип породы с учётом наиболее представительной фракции грансостава. В первом случае проба соответствует алевролиту мелкозернистому, а во втором - песчанику среднезернистому. Несомненное преимущество лазерного анализа состоит в том, что он позволяет детально дифференцировать глинистую компоненту пород, в значительной степени контролирующей их адсорбционно-диффузионные свойства, удельное сопротивление и водонасыщенность. Согласно рис. 4.1.5 содержание пелитовой фракции (<0.01 мм) в низкопроницаемом образце значительное – до 25– 32 %.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОД

СИТОВЫМ СПОСОБОМ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Построение кривых распределения зерен по размерам и суммарного гранулометрического состава. Ознакомление с методикой проведения эксперимента и электродинамическим вибростендом ПЭ-6700.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА: Вибростенд приводится в действие электромотором, который посредством соединительной муфты связан с встряхивающим механизмом, заключенным в кожух станины.

Сита устанавливают на поддоне, передвигаемом вдоль двух колонн, и закрепляют хомутом. С помощью эксцентриков, закрепленных на валике, и, соединенных хомутом с поперечиной, осуществляется вращательное движение и встряхивание сит. Вибростенд работает с частотой колебания рабочего стола от 12 до 25 гц и амплитудой колебания от 0,25 до 4 мм. Благодаря этому сита встряхиваются, способствуя тем самым нормальному рассеиванию зерен.

Под ситами внизу устанавливается плотная бумага, в которую отсеивается фракция с размером частиц меньше 0.14 мм. Стандартный набор состоит из 11 сит. Размеры отверстий сит указаны в таблице 4.1.2.

(c) Таблица 4.1.2

№ п/п	№ сита	Сторона квадратного отверстия, мм	№ п/п	№ сита	Сторона квадратного отверстия, мм
		1.60			0.2
		1.25			0.14
		0.80			0.071
		0.63			0.05
		0.56			0,009
		0.45

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Образец породы, экстрагированный и высушенный при t = 105 ⁰С, размельчают на составляющие его зерна в фарфоровой или агатовой ступке пестиком.

2. Из приготовленного таким образом песка берут навеску, равную 50 г.

3. Установить в встряхивающий аппарат набор из 5 сит, диаметр отверстий в которых составляет 0.8; 0.56; 0.45; 0.2; 0.14 мм. Под ситами внизу установить плотную бумагу, в которую отсеивается фракция с размером частиц меньше 0.14 мм.

4. Индикатором ТАЙМЕР установить время – 15 минут. При меньшей продолжительности рассеивание может быть не полным.

5. Подстроить при необходимости амплитуду вибрации рабочего стола ручкой регулятора АМПЛИТУДА.

6. После автоматической остановки вибростенда, набор сит извлечь из аппарата и содержимое каждого сита и плотной бумаги аккуратно высыпают на глянцевую бумагу и обметают сита от приставших частиц мягкой волосяной кисточкой.

7. Каждую фракцию взвесить и подсчитать ее процентное содержание по массе g_i:

, (7)

где m_i – масса песка, оставшегося на i-ом сите; N – количество сит.

8. По формуле (2) рассчитать нарастающее суммарное содержание фракций.

9. Результаты занести в таблицу 4.1.3.

(d) Таблица 4.1.3

	Фракции, мм
	<0.14	0.14-0.2	0.2-0.45	0.45-0.56	0.56-0.8	>0.8
m, г
gi, %
dср, мм

10. Построить кривые распределения зерен песка по размерам и суммарного гранулометрического состава (см. рис.4.1.3 и рис.4.1.4).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Определить по данным графика суммарного гранулометрического состава размеры скважинных фильтров, необходимых для ограничения выноса песка из пласта.

2. Охарактеризовать фракции, определить степень неоднородности кривой распределения зерен по размерам.

3. Сделать вывод о фильтрационных (низко-, средне-, высокопроницаемый) свойствах исследуемого образца керна.

Карбонатность.

Под карбонатностью понимают содержание в породе солей углекислоты (Н₂СО₃): известняка СаСо₃, доломита CaMg(CO₃)₂, соды кальцинированной (Na₂CO₃), поташа K₂CO_3, сидерита FeCO₃ и др. Содержание этих солей, т.е. карбонатность коллекторов, колеблется в широких пределах:

– терригенные породы либо не содержат их совсем, как кварцевые песчаники, либо содержание карбонатов может изменяться от долей до десятков процентов (0.1-30) в виде цемента;

– в карбонатных породах, в частности в известняках, содержание СаСО₃ более 50 %.

По упрощенной схеме Ноинского М.Э. карбонаты делятся на:

Наименование	Содержание СаСО3, %
Известняк	95-100
Доломитовый известняк	50-95
Известковый доломит	5-50
Доломит	0-5

 

Карбонатность пород имеет важное значение для промысловой практики. Породы продуктивных пластов, содержащие значительное количество карбонатов, могут быть с успехом подвергнуты обработке соляной кислотой для увеличения проницаемости призабойной зоны.

Измеряется карбонатность (К) в процентах или долях единицы.

Ккарб =

(1)

здесь m – масса навески пористой среды (0.1-1) г; m_карб – масса карбонатов в навеске, г.

Формула для расчета карбонатности выводится в предположении, что кальцит CaCO₃ составляет основную часть карбонатов породы.

При взаимодействии кальцита с 14-% соляной кислотой при температуре 20 ⁰С реакция протекает в течение 60 сек по следующей схеме:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + Н2СО3 = CaCl2 + H2O + CO2 ↑

(2)

где Н₂СО₃ – углекислота, которая сразу разлагается на воду (H₂O) и углекислый газ (CO₂), CaCl₂ – хлорид кальция.

Пусть V – объем выделившегося углекислого газа СО₂, см³; ρ – плотность СО₂ в условиях опыта, г /см³. Тогда масса m выделившегося СО₂ равна:

m = V · ρ,

(3)

Молекулярная масса СО₂ равна 44 (12+2·16), молекулярная масса СаСО₃ – 100 (40+12+3·16), т.е. на 100 весовых единиц СаСО₃ приходится 44 весовые единицы СО₂. Обозначив через х массу прореагировавшего карбоната СаСО₃, составим пропорцию отношения молекулярной массы к массе вещества:

(4)

и подставляя (3) в (4) имеем:

(5)

подставим (5) в (1):

(6)

В химических таблицах плотность углекислого газа дается в граммах на литр (г/л) или, что то же самое, в миллиграммах на см3 (мг/см3) (проверить самостоятельно). Обозначим плотность из таблиц - ρ_г. Из таблицы плотность углекислого газа при температуре 20 0С и барометрическом давлении Рбар=760 мм рт. ст. равняется 1.878 г/л. Это значит, что в одном литре содержится 1.878 г углекислого газа. Тогда в 1 см3 объема углекислого газа находится в 1000 раз меньше, т.е. плотность в размерности (г/см3) будет в тысячу раз меньше табличной (г/л):

ρ (г /см^3)=10^3 ρ (г /л).

(7)

Подставим (7) в (6):

(8)

здесь m - масса навески в г, V - объем газа в cм³, ρ - плотность газа СО₂ в условиях опыта в м г /см³ (г /л).

При взаимодействии доломита реакция протекает в течении 20-25 мин по схеме:

CaMg(CO3)2 + 4HCl = CaCl2 +MgCl2 +2H2O +2 CO2.

(9)

При расчете кальцита в формулу (8) подставляется значение объема газа V, выделившегося за первые 60 сек реакции, при расчете доломита – остальной объем выделившегося газа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2