Геометрия и свойства порово-трещинного пространства

Особенности порово-трещинного пространства. Выделяют следую­щие виды скважности : 1) пористость осадочных не сцементиро­ванных (пески, галечники, суглинки, глины) и слабо сцементирован­ных (песчаники, опоки) пород; 2) структурную пористость осадочных пород, связанную с наличием слоистости, структурных трещин и т. п.; 3) относительно равномерную трещиноватость выветривания и лито­генетическую; 4) трещиноватость тектоническую (крупные трещины) и кавернозность (полости разной формы в известняках).

По размерам пор или трещин скважность подразделяется на не капиллярную (более 0,5 мм), капиллярную (от 0,5 до 0,0001 мм), суб- капиллярную (менее 0,0001 мм). В первой и второй содержится сво­бодная вода, в третьей — только физически связанная вода. Выде­ляют четыре типа порово-трещинного пространства и соответственно геологической среды: а) пористую, б) сдвойной пори­стостью, в) трещиноватую, г) с двойной трещи­новатостью. Первый тип, несмотря на наличие пор разных размеров и формы, статистически характеризуется как достаточно однородная для движения воды среда. Второй тип отличается тем, что наряду с пористостью имеются трещины, которыми толща слабо сцементированных пористых пород разбиваётся на многочисленные блоки разных размеров. В этом случае среда считается гетерогенной. Третий тип похож на первый и характеризуется наличием незаконо­мерно расположенных небольших трещин, которые образуют доста­точно однородную для движения воды среду. Четвертый тип похож на второй, но отличается тем, что в массиве имеются системы крупных трещин или каналов, разбивающие среду на разной крупности трещи­новатые блоки. Тем самым создается гетерогенно-блоковая структура трещинного пространства.

Показатели порово-трещинного пространства

 К ним относят по­ристость п, трещиноватость п_т, удельную поверхность пустотного пространства S, коэффициент извилистости . Пористость ха­рактеризует долю порового пространства V_п в общем объеме У горной породы:

Трещиноватость — относительный объем трещин. Кроме того, используется понятие приведенной пористости, представляющее собой отношение V_п к объему скелета V_с породы. В этом случае коэффициент приведенной пористости е равен:  

Средние значения пористости для некоторых пород следующие (в %): пески 35—45, глины 45—60, песчаники, опоки, карбонатные породы 5—3, кристаллические метаморфические и изверженные по­роды— 1—2 и менее. Трещиноватость всегда меньше пористости, часто она составляет менее 1 % и редко превышает 5 %.

Выделяют общую п, открытую п₀ и активную п_а пористость (тре­щиноватость). Общая пористость характеризует весь объем порово- трещинного пространства и не позволяет судить о пропускной и ем­костной способностях породы, так как некоторые поры и трещины могут быть несообщающимися (тупиковыми) и содержать физически связанную воду, что уменьшает объем порово-трещинного простран­ства, через которое движется свободная вода. Пропускная способ­ность породы зависит от'размеров пор и трещин. Открытая по­ристость (трещиноватость) характеризует долю сообщающихся между собой пор и трещин, а активная — дополнительно учитывает ту часть порово-трещинного пространства, которая занята физически связанной водой и практически не принимает участия в механическом движении воды. Активная и открытая пористости в песках практи­чески равны общей пористости, а в суглинках и глинах они сущест­венно меньше нее и часто не превышают первых процентов.

Удельная поверхность порово-трещинного пространства (общая поверхность пор и трещин в 1 см³ породы) весьма значительна, осо­бенно для глин, и может достигать 10 м²  и более. Поэтому вода, дви­гаясь в такой среде, расходует дополнительную энергию на трение о  стенки пор и трещин, и тем больше, чем меньше их размеры. Отно­сительный характер геометрии порово-трещинного пространства оце­нивается коэффициентом извилистости (коэффициент Клинкенберга, который ввел его при исследовании массопереноса в подземных, во­дах). Он всегда меньше единицы, для рыхлых песков равен 0,5—0,7, а для сцементированных песков — 0,25—0,5.

Упругость горных пород

Размеры пор зависят от укладки минеральных зерен, а раз­меры трещин — от их раскрытости. Под влия­нием внешней нагрузки и с ростом глубины залегания пород скважность (пустотность) пород снижается главным образом за счет более плотной укладки минеральных зерен и уменьшения раскрытости трещин, т. е. сокра­щения объема пустотности, и в меньшей сте­пени под влиянием упругого сжатия, вязко­пластических и других деформаций скелета породы. Пески, галечники, аргиллиты, пес­чаники и карбонатные породы обычно рас­сматриваются как упругодеформируемое (или линейно деформируемое) тело, способное пос­ле снятия нагрузки восстанавливать первона­чальную структуру порово-трещинного про­странства. Глины и суглинки при небольших изменениях давления Δр_с на породу ведут се­бя как условно упругодеформируемое тело, а при значительных — в них проявляются пластические и другие деформации. Характер изменения пустотного пространства под влиянием эффективных дав­лений р_с на скелет породы оценивается экспериментальной кривой зависимости е = / (р_с), которая называется компрессионной кривой. На рисунке ниже показаны типовые кривые для упругодеформируемой (1) и условно упругодеформируемой (2) сред. Уклон кривых характеризует величину коэффициента сжимаемости а_с. Часто пользуются показателем удельного сжатия (расширения) скелета породы β_С. Минеральный скелет породы сжимается очень слабо, и для базальтов,кварцитов, аргиллитов, песчаников и изве­стняков величина β_С имеет порядок (0,8—5)·10^-11 Па^-1, что на по­рядок меньше, чем для воды.

Типовой гра­фик сжимаемости порового пространства пес­чаной  и глинистой породы

Закон Гука для линейно деформируемой породы можно записать в виде:

где учтено, что е связано с п зависимостью;  Vп = Vп — объем порового пространства в деформируемом объеме У; У_п = V (1—п) — объем минерального скелета породы в заданном объеме V (принимается неизменным).