УДК 853.822.3

Определение удельной поверхности сцементированных горных пород расчетным способом

А.Л. БРОДСКИЙ (ВНИИ)

Одним из наиболее важных и информативных параметров структуры поро-вого пространства пород является удельная поверхность, т. е. поверхность, приходящаяся на единицу массы (объема) породы. При прочих равных условиях удельная поверхность определяет взаимодействие дисперсных тел с внешней средой в процессах адсорбции, растворения, капиллярной пропитки. Кроме того, определение его необходимо для расчета количества адсорбированного вещества, поверхностной энергии и теплоты смачивания.

В настоящее время разработаны и используются значительное количество методов определения удельной поверхности, однако точность большинства их них очень низка. Наиболее точен и теоретически обоснован метод определения полной удельной поверхности по низкотемпературной адсорбции инертных газов, так называемый метод Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). На практике метод БЭТ используется обычно только для контроля и эталонирования. Причиной этого является сложность аппаратуры, большая трудоемкость измерений и необходимость высокой квалификации оператора. Для массовых определений нужно выбрать другой способ, желательно с минимальным количеством измерений. Особое внимание своей простотой привлекают способы расчета удельной поверхности по коллекторским свойствам и гранулометрическому составу. Для несцементированных пород эти способы дают вполне приемлемые результаты, в то время как для сцементированных, особенно глинистых, отложений они оказываются значительно (на 1-2 порядка) заниженными.

Настоящая работа была выполнена для отыскания достаточно простого и надежного способа расчета удельной поверхности сцементированных пород. Для исследований отобрано 19 образцов керна тюменской свиты Талинского месторождения. Характерной особенностью данного месторождения является наличие двух типов коллекторов: продуктивные пласты ЮК_2-9 связаны с полимиктовыми песчаниками и алевролитами, в то время как основной объект разработки - пласты ЮК_10-11(шеркалинский горизонт) связаны с кварцевыми песчаниками с каверново-поровым типом пустотности. Следует отметить, что глинистый материал во всех случаях представлен преимущественно каолинитом.

Удельные поверхности образцов измерялись методом БЭТ на установке «Сорптоматик 1800» фирмы «Карло Эр-ба» (Италия). Анализ полученных результатов показывает, что основное влияние на величину удельной поверхности оказывает содержание пелитовой фракции. Между указанными параметрами отмечена тесная корреляционная связь (рис. 1). Уравнение регрессии имеет вид

где Ауд - поверхность, приходящаяся на единицу объема порового пространства, м²/см³; Мп - содержание пелитовой фракции по данным гранулометрического анализа, %.

Коэффициент корреляции равен 0,92, коэффициент вариации 25 %. Учитывая значительные различия в литологическом составе изученных образцов, можно предположить, что формула (1) пригодна для определения удельной поверхности любых терригенных пород с близким составом глинистого материала. Для приближенных расчетов достаточно располагать полученной по геофизическим данным величиной общей глинистости породы. Поскольку общая глинистость и содержание пелитовой фракции несколько различаются, точность метода уменьшается, но остается вполне приемлемой для решения многих вопросов.

Основным недостатком описанного метода является необходимость значительного, достаточного для статистической обработки, числа измерений. Мы можем предложить метод, при котором число их будет сведено к минимуму. Суть его такова: измеряются и суммируются удельные поверхности гранулометрических фракций с учетом доли каждой из них в объеме породы:

где - удельная поверхность-ой фракции, измеренная методом БЭТ, м²/г;- доля-той фракции в объеме породы.

При изучении удельной поверхности фракций тюменской свиты Талинского месторождения использовалась смесь данной фракции 10 образцов, причем подбирались образцы разного типа, от крупнозернистого песчаника до глинистого алевролита. Получены следующие результаты.

Диаметр фракции, мм	Поверхность фракции, м²/г
<0,01	17,6
0,01-0,05	4,2
0,05-0,10	3,24
0,10-0,16	1,95
0,16-0,25	0,76

Расчеты показывают, что вкладом фракций более 0,25 мм можно пренебречь.

Как видно из рис. 2, в целом точность нашего метода невелика (коэффициент вариации составляет 26 %). С увеличением удельной поверхности расхождения между расчетными и экспериментальными величинами уменьшаются и при S_БЭТ>=3 м³/г указанные величины практически совпадают (погрешности до 10 % не превышают точности метода БЭТ). Причина этого, на наш взгляд, в том, что величина представляет собой сумму полных поверхностей частиц, составляющих данную фракцию. В породе общая поверхность уменьшается за счет контактов между зернами, особенно сутуровых. Для пород слабоглинистых относительное уменьшение поверхности будет особо значительно, в то время как для глинистых низкопроницаемых с высокой удельной поверхностью влиянием данного фактора можно пренебречь. Удобной границей служит содержание пелитовой фракции - формулой (2) можно пользоваться при Мп>= 13 %.

Интересно сравнить удельные поверхности фракций, рассчитанные по среднему диаметру S_dc, истинными поверхностями S.

Средний диаметр, мм
0,3	58
0,075	78
0,13	97
0,205	114

Легко убедиться, что основной причиной столь серьезного расхождения является низкая окатанность, угловатость зерен и пелитизация их поверхности, причем с уменьшением диаметра фракции роль данных факторов также уменьшается. Величина может служить количественной характеристикой отклонения зерен реальной породы от идеализированной «шаровой» модели.

Таким образом, установленная тесная корреляционная связь между содержанием пелитовой фракции и удельной поверхностью может быть использована для определения последней по лабораторным и геофизическим данным. Предложенный способ расчета удельной поверхности низкопроницаемых глинистых пород прост и надежен.

Рис. 1. Зависимость удельной поверхности породы от содержания пелитовой фракции

Рис. 2. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений удельной поверхности