Плотность и пористость глинистых пород в различном состоянии их влажности
Э. А. ПРОЗОРОВИЧ
Плотность и пористость осадочных пород и, в частности, широко распространенных глинистых пород являются важными параметрами, характеризующими физические их свойства. Они имеют важное значение при интерпретации гравиметрических данных.
В связи с этим необходимо рассмотреть вопрос о достоверности величин плотности и пористости, определяемых по образцам, лишенным (частично или полностью) естественной влажности с учетом поправки на влажность.
С этой целью в 1950-1956 гг. был произведен отбор 204 образцов керна в естественно влажном состоянии и их парафинирование.
Плотность по образцам, лишенным естественной влажности, получается уменьшенной по сравнению с плотностью в естественных условиях залегания. Если для очень плотных, мало пористых осадочных пород разница между плотностью по образцам в естественно влажном и абсолютно сухом состояниях незначительна, то по образцам с большой пористостью эта разница может достигать 0,20 г/см3 и более.
Для краткости приводим применяемые далее обозначения.
1. Плотность по образцам в естественно влажном состоянии -
2. Плотность, приведенная к естественно влажному состоянию (по образцу в абсолютно сухом состоянии) с введением поправки на влажность (без учета усадки) -
3. Плотность скелета по образцам в естественно влажном состоянии -.
4. Плотность по образцам в воздушно сухом состоянии -
5. Плотность скелета образца в воздушно сухом состоянии -
6. Плотность по образцам в абсолютно сухом состоянии -.
7. Минералогическая плотность -.
8. Пористость по образцам в абсолютно сухом состоянии -.
9. То же в естественно влажном состоянии -
10. То же по образцам в воздушно сухом состоянии -
11. Коэффициент водонасыщения в процентах -
12. Весовая влажность в процентах -
13. Увеличение плотности в связи с усадкой при высыхании или высушивании в г/см3-
Для приведения плотности пород, определенной по образцам в абсолютно сухом состоянии, к плотности в естественно влажном состоянии вводят поправку на влажность, численно равную пористости породы (при kw =1):
Однако это правильно для пород, не обладающих свойством усадки при их высушивании. Как известно, в отличие от большинства осадочных пород глинистые породы обладают характерными для них свойствами усадки при их высыхании и набухания при их увлажнении [2, 4 и 5].
Плотность породы определялась методом гидростатического взвешивания на технических весах. Точность определения плотности ±0,01 г/см3 [3].
Пористость пород [5] подсчитывается по данным плотности и минералогической плотности по формуле
Подставляя в формулу значение по образцам в естественно влажном, воздушно сухом и абсолютно сухом состояниях, получим соответствующие значения пористости (), которые фиксируют эффективное уплотнение (уменьшение пористости) по мере высыхания образца породы.
Плотность скелета породы по образцам в естественно влажном состоянии подсчитывалась по формуле
В отличие от весовой влажности, называемой также абсолютной, влажность, отнесенная к объему пор, называется относительной влажностью - кw. Характеризуя степень водонасыщения породы, относительная влажность называется также коэффициентом насыщения и определяется по формуле
После определения плотности в естественно влажном состоянии снимался парафин и образец высушивался до воздушно сухого состояния и определялась плотность. После вторичного снятия парафиновой оболочки образец высушивался в термостате и определялась плотность в абсолютно сухом состоянии. По отдельным кусочкам породы определялась минералогическая плотность и весовая влажность.
Из литературных данных известно, что коэффициент насыщения пород с ненарушенной структурой (при залегании их ниже уровня грунтовых вод) обычно изменяется от 0,8 до 1,0 [5].
В исследованных нами кернах глин коэффициент насыщения изменяется в широких пределах - от 0,5 до 1,2. Большое число образцов, отобранных в 1956 г. с kw, близким к единице, объясняется тем, что в отличие от 1955 г. отбор и парафинирование их производились более тщательно. Небольшое число образцов с малым kw относится к тем кернам, подъем которых был произведен во вторую и третью смены, а доставка для парафинирования - утром, что обусловило некоторое их высыхание. Относительно небольшого числа образцов глинистых пород с kw > 1 можно предположить, что в их составе содержатся монтмориллонитовые глины, которые характеризуются наибольшей способностью к набуханию [4]. Для таких пород коэффициент водонасыщения может превышать единицу [6].
Интересно привести сопоставления увеличения плотности скелета глинистых пород (апшеронского яруса) при их высыхании от естественно влажного до воздушно сухого состояния и от последнего до абсолютно сухого по кернам с глубины до 498 м.
Как показывает сопоставление, уплотнение в связи с усадкой глинистых пород в основном происходит при высыхании образца от естественно влажного до воздушно сухого состояния (в нашем примере на 0,17-0,19 г/см3) и незначительное - при высушивании от воздушно сухого до абсолютно сухого состояния (на 0,01-0,03 г/см3).
Сопоставление плотности глинистых пород в естественно влажном состоянии по кернам при kw от 0,9 до 1,0 с плотностью по подсчету (при g = 2,76- 2,78) указывает на хорошее их совпадение (Определения Л.Г. Аванесовой.).
На рис. 1 приводится сопоставление увеличения плотностискелета глинистых пород при их высыхании от естественно влажного состояния до абсолютно сухого в связи с их усадкой с коэффициентом водонасыщения kw. Сопоставление проведено по 56 образцам глинистых пород апшеронского яруса Мишовдагской площади (Прикуринская низменность).
Устанавливается прямая зависимость увеличения плотности скелета глинистых пород от коэффициента водонасыщения kw. Керны с почти полным насыщением пор водой, т.е. более влажные, характеризуются наибольшим их уплотнением и, наоборот, образцы, частично высохшие, характеризуются малой усадкой и, следовательно, небольшим увеличением их плотности.
Указанная зависимость находится в соответствии с одной особенностью усадки [4], согласно которой большей начальной влажности отвечает и несколько больший предел усадки.
Объемная усадка у определялась по формуле
Выявленная зависимость усадки глинистых пород от их коэффициента насыщения имеет важное значение для рассматриваемого вопроса, указывая на необходимость изучения усадки глинистых пород только по образцам с коэффициентом насыщения, близким к единице, т. е. полностью или почти полностью насыщенных водой, что соответствует их естественным условиям залегания.
На рис. 2 приведено сопоставление плотности и пористости скелета глин в естественно влажном и абсолютно сухом состояниях. Это сопоставление приводится только по образцам с kw от 0,9 до 1,1. т. е. близким к единице.
Расположение точек указывает на определенную зависимость уплотнения скелета глинистых пород при их высушивании (от естественно влажного до абсолютно сухого состояния) в зависимости от их пористости. Более пористые и менее плотные глинистые породы характеризуются большей усадкой. Некоторое исключение относится к образцам апшеронского яруса Дуровдагской площади.
На рис. 3 приведены результативные кривые. Кривая 2 дает возможность по плотности глин в абсолютно сухом состоянии (в диапазоне от 1,75 до 2,25) определить необходимую поправку за усадку для приведения к плотности скелета в естественно влажном состоянии. Аналогичная поправка на пористость может быть подсчитана по кривой 3. Эти же данные приводятся в табл. 1.
Как следует из табл. 1 и рис. 3, уплотнение скелета глинистых пород (в связи с усадкой) при их высыхании находится в некотором соответствии с пористостью в естественно влажном состоянии или с их влажностью. Более пористые глинистые породы характеризуются большей усадкой и по мере уменьшения пористости усадка их уменьшается, доходя до 4,9% (увеличение плотности на 0,11 г/см3 при пористости 22%). Проследить за усадкой менее пористых пород не удалось. Можно предположить (исходя из конфигурации правых ветвей кривых 3 и 2), что усадки в глинистых породах с пористостью порядка 11 % (= 2,44) не будет.
После поправки на усадку, вводя поправку за влажность к плотности скелета в естественно влажном состоянии, получим подсчитанную плотность в естественно влажном состоянии.
Таким образом, подсчет плотности глинистых пород, приведенной к естественно влажному состоянию, по плотности образца в абсолютно сухом состоянии с учетом усадки выразится формулой
Поправка на усадку глинистых пород, впервые предлагаемая нами, позволяет с достаточной для практики точностью подсчитать плотность образцов глинистых пород в условиях их естественного залегания.
В табл. 2 приводится сопоставление средних величин плотности по пяти группам образцов глинистых пород (со средним kw от 0,9 до 1,1) по данным определений плотности образцов в различном состоянии их влажности.
Из анализа приведенных сопоставлений следует, что благодаря введению поправок на усадку и влажность конечные величины получаются сходными с фактической плотностью в естественно влажном состоянии. То же относится и к разнице между средней плотностью сопоставляемых групп.
Как следует из табл. 2, в связи с большей усадкой более пористых глин происходит некоторая компенсация влажности, что приводит к малой разнице между средней плотностью сопоставленных групп по образцам в естественно влажном состоянии, с одной стороны, и в воздушно сухом и абсолютно сухом - с другой. Абсолютные же значения плотности резко отличны. Иная картина получается при сопоставлении плотности пород, одни из которых не обладают свойством усадки (известняки, плотные мергели, галогенные и песчаные породы). Как следует из сопоставления, в этом случае искажается не только абсолютная величина плотности, но и разница в плотности. Из сопоставлений также видно, что разница в плотности глин в воздушно сухом и абсолютно сухом состояниях изменяется от 0,05 до 0,07 г/см3, в среднем равна 0,06 г/см3.
Приведенные результаты, основанные на изучении плотности достаточно большего числа образцов в различном состоянии их влажности (по кернам различных стратиграфических единиц отдельных площадей Азербайджана), позволяют сделать следующие выводы.
Практикуемое определение плотности глинистых пород по образцам в воздушно сухом и абсолютно сухом состояниях с введением поправки за влажность дает искаженную абсолютную величину в связи с их усадкой. При сравнении глинистых пород и пород, не обладающих свойством усадки, искаженной получается не только абсолютная величина плотности, но и относительная разница плотности.
Для более точной характеристики плотности определение целесообразно производить по образцам в абсолютно сухом состоянии с введением поправки на уплотнение в связи с усадкой и на влажность в соответствии с пористостью в естественно влажном состоянии.
Средняя разница плотности глинистых пород по образцам в воздушно сухом и абсолютно сухом состояниях приближенно может быть принята равной 0,06 г/см3.
Для изучения вопроса об уплотнении скелета образцов глинистых пород в связи с их усадкой отбор образцов следует производить непосредственно на месте буровых работ. Следует также изучить влияние на усадку минералогического состояния глинистых пород и их дисперсности.
Для уточнения рассматриваемого вопроса следует аналогичные исследования провести в других областях СССР, где производится определение плотности пород для интерпретаций гравиметрических данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Берч Фр., Шерер Дж., Спайсер Г. Справочник для геологов по физическим константам. Изд. ИЛ., 1949.
2. Васильев А.М. Основы современной методики и техники лабораторных определений физических свойств грунтов. Москва, 1953.
3. Озерская М.Л. Наставление по определению физических свойств образцов горных пород. Гостоптехиздат, 1953.
4. Приклонский В.А. Грунтоведение. Ч. I, Москва, 1953.
5. Сергеев Е.М. Общее грунтоведение. Москва, 1953.
6. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород. Справочное руководство по петрографии осадочных пород. Ленинград, 1958.
АзНИИ ДН
Плотность |
Пористость, % |
Усадка, % |
||||
|
|
разница |
n |
n' |
разница |
|
2,25 |
2,14 |
0,11 |
19 |
22 |
3 |
4,9 |
2.15 |
2,03 |
0,12 |
22 |
26 |
4 |
5,6 |
2,05 |
1,93 |
0,12 |
26 |
30 |
4 |
5,9 |
1,95 |
1,75 |
0,20 |
30 |
37 |
7 |
10,3 |
1,85 |
1,64 |
0,21 |
33 |
41 |
8 |
11,4 |
1,75 |
1,51 |
0,24 |
37 |
45 |
8 |
13,8 |
Площадь, № скважины |
Глубина |
Стратиграфия |
|
|
|
n (в долях единицы) |
|
|
|
Плотность в абсолютно сухом состоянии с поправкой на усадку () |
Плотность в абсолютно сухом состоянии с поправкой на усадку и на влажность |
Число образцов |
Яламинская опорная скважина |
1501 1636 |
Караганский ярус |
2,31 |
|
2,12 |
0,23 |
2,35 |
2,08 |
0,04 |
2,00 |
2,28 |
10 |
Мишовдаг (скв. 139, 140) |
247- 421 |
Апшеронский ярус |
2,09 |
1,97 |
1,91 |
0,31 |
2,22 |
1,70 |
0,21 |
1,71 |
2,09 |
12 |
Разница |
|
|
0,22 |
- |
0,21 |
- |
0,13 |
0,38 |
- |
0,29 |
0,19 |
- |
Сарыджалярская опорная скважина |
1617- 2176 |
Нижний апшерон и акчагыл |
2,27 |
2,19 |
2,14 |
0,24 |
2,37 |
2,03 |
0,11 |
2,02 |
2,29 |
10 |
Мишовдаг (скв. 134 и 139) |
14- 492 |
Апшеронский ярус |
2,11 |
1,99 |
1,93 |
0,31 |
2,24 |
1,73 |
0,20 |
1,73 |
2,11 |
10 |
Разница |
|
|
0,16 |
0,20 |
0,21 |
- |
0,13 |
0,30 |
- |
0,29 |
0,18 |
- |
Мишовдаг (скв. 139, 140) |
247- 421 |
Апшеронский ярус |
2,09 |
1,97 |
1,91 |
0,31 |
2,22 |
1,70 |
0,21 |
1,71 |
2,09 |
12 |
Сарыджалярская опорная скважина |
1931 -2366 |
Нижний апшерон и акчагыл |
2,34 |
2,27 |
2,20 |
0,20 |
2,40 |
2,12 |
0,08 |
2,08 |
2,33 |
17 |
Разница |
|
|
0,25 |
0,30 |
0,29 |
- |
0,18 |
0,42 |
- |
0,37 |
0,34 |
- |
Яламинская опорная скважина |
2319 |
Датский ярус (образцы известняка с гл. 2319) |
2,64 |
2,61 |
2,60 |
0,04 |
2,64 |
2,60 |
|
|
2,64 |
2 |
Мишовдаг (скв. 134, 139) |
14-492 |
Апшеронский ярус |
2,11 |
1,99 |
1,93 |
0,31 |
2,24 |
1,73 |
0,20 |
1,73 |
2,11 |
12 |
Разница |
|
|
0,53 |
0,62 |
0,67 |
- |
0,40 |
0,87 |
|
- |
0,53 |
- |
Рис. 1. Площадь Мишовдаг - апшеронский ярус. Зависимость увеличения плотности скелета глинистых породпри их высыхании от коэффициента водонасыщения kw.
Рис. 2. Сопоставление плотности и пористости скелета глинистых пород по образцам в естественно влажном и абсолютно сухом состояниях.
По образцам из скважин площадей: 1 - Ялама; 2 - Сарыджаляр; 3 - Мишовдаг; 4 - Дуровдаг; 5 - пос. Разино; 6- теоретическое сопоставление и (без учета осадки).
Рис. 3. Сопоставление плотности и пористости по образцам в абсолютно сухом и естественно влажном состояниях (1).
1 - поправка на увеличение пористости; 2 - поправка на уменьшение пористости; 3 - теоретическое сопоставление и без учета усадки.