Измерение плотности и пористости горных пород в лабораторных условиях
Плотность и пористость являются фундаментальными физическими параметрами, характеризующими горные породы. Эти свойства напрямую связаны с литологией, тектоническими процессами, фильтрационными и емкостными возможностями пород. Точное определение плотности и пористости необходимо для интерпретации геофизических данных, моделирования пластов, оценки залежей углеводородов и подземных вод, а также для инженерно-геологических расчетов.
В геофизике выделяют несколько видов плотности, зависящих от характера заполнения пор и состояния образца:
Эти параметры могут варьироваться в зависимости от минерального состава, цементации, трещиноватости и степени насыщения флюидами.
Применяется в основном к порошкообразным или мелкодисперсным образцам. Метод основан на вытеснении жидкости (чаще всего воды или керосина) твердым веществом в мерном сосуде — пикнометре. Плотность рассчитывается по разности масс и объема вытесненной жидкости:
$$ \rho = \frac{m}{V_{\text{вытесн}}} $$
где m — масса сухого вещества, Vвытесн — объем вытесненной жидкости.
Применяется для определения объемной плотности. Образец взвешивается в воздухе и в жидкости. Объем рассчитывается по выталкивающей силе, а затем вычисляется плотность:
$$ \rho = \frac{m_{\text{возд}}}{m_{\text{возд}} - m_{\text{жидк}}} \cdot \rho_{\text{жидк}} $$
где mвозд и mжидк — масса образца в воздухе и в жидкости соответственно.
Метод дает высокую точность, особенно при использовании дистиллированной воды с известной плотностью и контролем температуры.
Метод применяется для определения истинной плотности твёрдой фазы породы, включая мелкодисперсные и крошковатые образцы. Используется инертный газ (обычно гелий) и измеряется изменение давления при известном объеме, что позволяет точно определить объем твердой фазы, исключая даже мельчайшие поры.
Пористость — это отношение объема пор к общему объему породы:
$$ \phi = \frac{V_{\text{пор}}}{V_{\text{общ}}} $$
Пористость подразделяется на следующие типы:
Прост и широко применим. Образец сначала высушивают до постоянной массы, затем насыщают водой или другой жидкостью, измеряют массу до и после насыщения:
$$ \phi = \frac{m_{\text{нас}} - m_{\text{сух}}}{\rho_{\text{жидк}} \cdot V_{\text{обр}}} $$
где mнас и mсух — масса насыщенного и сухого образца соответственно, ρжидк — плотность жидкости, Vобр — объем образца.
Применяется при использовании газов, чаще всего гелия. Давление измеряется до и после введения образца в камеру известного объема. По уравнению состояния идеального газа вычисляется объем пор, доступных для газа.
Метод позволяет точно определить объем открытых пор, особенно полезен для плотных, малопористых пород.
Позволяет получить распределение пор по размерам. В образец под давлением нагнетается ртуть, и по величине давления, необходимого для проникновения ртути в поры разного диаметра, строится кривая порораспределения. Метод разрушающий и требует высокой точности измерений.
Плотность напрямую влияет на:
Пористость, в свою очередь, определяет:
Плотность насыщенной породы зависит как от истинной плотности матрицы, так и от пористости и плотности флюида, заполняющего поры:
ρобъем = (1 − ϕ) ⋅ ρматрицы + ϕ ⋅ ρфлюида
Это уравнение лежит в основе интерпретации каротажных и буровых данных, а также при построении геофизических моделей пласта.
Для получения достоверных результатов критически важно правильно подбирать и подготавливать образцы:
Наибольшие ошибки возникают при определении объема образца. Это особенно важно для нерегулярных форм или трещиноватых пород. При измерении массы важно учитывать влияние влажности и воздуха. В газовых методах — учитывать влияние температуры и утечек.
Современные лаборатории оснащаются автоматизированными установками, минимизирующими человеческий фактор и повышающими воспроизводимость измерений.
Результаты лабораторных определений плотности и пористости используются:
Кроме того, полученные данные являются основой для построения петрофизических связей, используемых в численном моделировании и инверсии геофизических данных.