Геометрия каркаса обломочных отложений » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Геометрия каркаса обломочных отложений

29.07.2021

Упаковка. Упаковка породы определяется характером расположения элементов каркаса, в котором каждый элемент закреплен и удерживается на своем месте в гравитационном поле Земли силами сцепления или точечного контакта друг с другом.

Изучение упаковки важно по нескольким причинам. Плотная упаковка приводит к сокращению объема порового пространства и размера пор и, следовательно, существенно изменяет пористость и проницаемость породы. «Открытая» или «свободная» упаковка оказывает прямо обратный эффект. Вопрос о том, какие агенты и процессы приводят к колебаниям упаковки, интересовал последователей пляжевых отложений, в которых иногда обнаруживают свободную упаковку, а в других случаях — наоборот. Хотя первоначальные контакты между зернами главным образом тангенциальные, межслойное растворение может изменить их настолько, что характер контактов будет совершенно иной, и зерна придут в тесное соприкосновение друг с другом. Изучение взаимоотношений зерна с зерном может пролить свет на природу и глубину постседиментационных диагенетических изменений.

Для анализа упаковки породы требуется дать точное определение явления, разработать подходящую меру «плотности» упаковки и оценить ее преобразования в постседиментационный период. Изучение упаковки может идти как в теоретическом, так и в экспериментальном направлениях с привлечением анализа упаковки равных или разных по размеру шаров и по пути исследования упаковки естественных скоплений обломков как экспериментальным путем, так и в природных условиях. В ряде опубликованных работ рассматривается определенный подход (или несколько подходов) к решению этой проблемы, наиболее крупными являются монографии Гратона и Фрейзера и сравнительно недавние публикации Кана.

Элементами каркаса грубообломочных осадочных пород — конгломератов, гравелитов и песков — являются галька и песчаные зерна, из которых эти отложения состоят. Эти обломочные элементы несферичные и неравные по размеру. Тем не менее, для понимания явления упаковки и его влияния на пористость и проницаемость необходимо представить, что твердые обломки представляют собой сферы (во многих случаях компоненты этих грубообломочных отложений имеют почти сферическую форму, а среднее значение сферичности зерен многих песков составляет 0,8 или более). В первую очередь следует рассмотреть агрегаты, сложенные равными шарами, а затем смеси из шаров различного размера.

Упаковка шаров одного размера может быть беспорядочной (или постоянно повторяющейся) и геометрически упорядоченной. Существует шесть принципиальных разновидностей упорядоченной упаковки, но одна из них, а именно ромбоэдрическая упаковка, является самой «плотной», т. е. обладает минимальной пористостью и наиболее компактным расположением твердых шаров. Поскольку эта же упаковка наиболее устойчивая, строение большинства естественных равнозернистых скоплений приближается к ромбоэдрическому расположению. Упаковка большинства отложений в высшей степени неупорядоченная, хотя в каждом конкретном случае можно выделить «колонии» или участки, характеризующиеся наиболее плотной упаковкой. Ромбоэдрическая упаковка характеризуется элементарной ячейкой из шести плоскостей, проходящих через центры восьми шаров, расположенных в углах правильного ромбоэдра, каждая сторона которого равняется 2R (рис. 3-37). Ромбоэдрическая упаковка прямо противоположна кубической (наиболее «свободной» из возможных упорядоченных упаковок), в которой единица решетки представляет собой куб (восемь углов являются центрами составляющих шаров). При ромбоэдрической упаковке пористость равняется 25,95%, в кубической составляет 47,64%.
Геометрия каркаса обломочных отложений

На любой плоскости, проведенной произвольно через упорядоченно упакованные шары, обнаруживается чередование участков, сложенных твердыми материалами, и пустот. Однако площадь этих пустот не будет истинной мерой площади, через которую возможно прохождение флюида, поскольку часть пространства будет блокироваться другими зернами. Если же плоскость пройдет через центры шаров в одном из наиболее плотно упакованных ромбоэдрических слоев, то площадь пустот в таком сечении и будет истинной величиной минимальной площади проводящих каналов или мерой того, что можно назвать «эффективной пористостью». При плотной ромбоэдрической упаковке, когда общая пористость составляет 25,95%, эффективная пористость равняется 9,3%. Это различие не влияет на свойство поровой системы удерживать флюиды, но оно связано с движением флюидов через породу, т. е. с ее проницаемостью.

Если значительное число шаров равного диаметра расположить некоторым образом, то можно будет найти шар определенного минимального диаметра, который сможет пройти между крупными шарами и окажется в промежутке. Для наиболее плотной упаковки критический диаметр равняется 0,154D (где D— диаметр крупных шаров). Аналогично рассуждение о критическом значении диаметра шара, который хотя и слишком велик, чтобы пройти между крупными шарами, но может быть заключен в межгранулярном пространстве и вероятно, может попасть туда во время образования осадка. Критические значения заполненности равняются 0,41AD и 0.225Z) при ромбоэдрической упаковке (в этом случае наблюдается два типа пустот разного размера). Эти теоретические рассуждения нельзя применять непосредственно к отложениям, поскольку они не сложены шарами и не обладают полностью упорядоченной упаковкой. Тем не менее, если материал, заполняющий промежутки в грубообломочных отложениях, крупнее 0,154 диаметра гальки, эта мелкая фракция отложений не была привнесена в осадок, а образовалась одновременно с ним. Эти наблюдения следует учитывать при анализе бимодального характера распределения, установленного в некоторых классах грубообломочных отложений.


В первичном осадке контакты между обломочными зернами либо тангенциальные, либо точечные. Случайное сечение через такой матрикс редко проходит через эти точки. Следовательно, в таких сечениях зерна совершенно не соприкасаются друг с другом (рис. 3-38). Однако, если контакты между зернами сильно изменены в сторону увеличения их площади соприкосновения, случайное сечение пройдет через большее количество контактов, и количество контактов, приходящееся на зерно в данном поле зрения, увеличится (табл. 3-10). По мере видоизменения тангенциальных контактов они становятся протяженными, выпукло-вогнутыми и сутурными (рис. 3-39). Джейн Тейлор изучала контакты зерен в песчаниках с различных глубин в штате Вайоминг. Обычные пески обнаруживают 1,6 контакта на зерно (более вероятно 0,85 контакта на зерно, по данным Гейтера). На глубине 900 м песчаники имеют 2,5 контакта на зерно, а на глубине 2570 м количество контактов возрастает до 5,2. Следовательно, песчаники как бы претерпевают процесс «сгущения», который приводит зерна в близкий и протяженный контакт друг с другом Тейлор объясняла эти изменения явлением межслойного растворения и осаждения, а также течением кварцевых зерен в твердой фазе. Она приводила различные свидетельства давления, такие как, например, изогнутые листочки слюды или потрескавшиеся зерна кварца. Однако возможность течения кварца в твердой фазе трудно доказать, и выпукло-вогнутые контакты, наблюдаемые Тейлор, могут, по предположению Вальдсмидта, означать эффект растворения Другие обломочные зерна, исключая кварцевые, могут быть пластичными, и их деформация приводит к потере пористости. Риттенхауз произвел оценку влияния такого механического уплотнения

Были предприняты попытки измерения упаковки Одним из параметров измерения является количество контактов на зерно. Кап предложил два параметра: упаковочное приближение, которое по существу отвечает количеству контактов на зерно (отношение числа контактов зерна с зерном к суммарному числу зерен, подсчитанных по пересечению), и упаковочную плотность, соответствующую отношению суммы всех пересечений зерен к общей длине пересечения (существенная составляющая пористости при отсутствии цемента). Многие исследователи предлагали свои показатели упаковки.

К сожалению, изучение контактов зерен и измерение упаковки ведутся все еще довольно субъективно, отчасти из-за неточных или неполных наблюдений Первоначальные границы кварцевых зерен в некоторых песчаниках частично или полностью исчезают из-за вторичных нарастаний кварца и наблюдать их можно только с помощью катодолюминесцентной трубки. Другие границы настолько завуалированы материалами цемента, что наблюдать контакты зерна с зерном не удается.

Пористость. Пористость породы определяется процентным соотношением порового пространства к общему объему породы и отвечает пространству породы, свободному от твердой минеральной фазы. Определяемая таким образом пористость является общей, т. е. объемом всего порового пространства, в противоположность эффективной пористости. В суммарное поровое пространство включаются все промежутки или полости, независимо от того, связаны ли они между собой, и, следовательно, общая пористость больше эффективного порового пространства, в которое включаются только полости, свободно связанные между собой.

В противоположность кристаллическим породам, в которых пористость равняется нулю, обломочные породы обычно умеренно или высоко пористые. Эта пористость объясняется тем, что обломочные компоненты в момент отложения не образуют протяженного контакта, они соприкасаются друг с другом по касательной. Система пор составляет как проводящие каналы для прохождения флюидов через породу, так и объем для их накопления. Поэтому объем такого пространства, образующаяся емкость породы и ее проницаемость представляют огромную важность при изучении нефти и газа, рассолов и подземных вод. По этой причине значительные усилия были затрачены на разработку методов измерения пористости и практические ее определения. Заинтересованного читателя автор отсылает к различным лабораторным пособиям, в которых эти методы описаны. Для дальнейшего ознакомления со всеми аспектами пористости рекомендуем познакомиться с книгой фон Энгельгардта.

Пористость обломочных отложений является главной причиной и основным условием диагенетических преобразований породы. Например, пористость приводит к неоднородному распределению давления, создаваемого массой перекрывающих пород; эта масса распределяется на относительно небольшие площади контакта между зернами, что приводит к растворению зерен в точках соприкосновения и осаждению растворенных веществ в пустотах. Более того, флюиды, заключенные в порах, образуют среду, в которой происходят химические реакции, и они могут сами вступать в реакцию с зернами каркаса отложений. В результате растворения и химического осаждения, выполнения пустот и других диагенетических изменений пористость отложений уменьшается во времени и, следовательно, с глубиной. Чем выше степень диагенеза осадочной породы, тем большее сходство обнаруживает она с породами метаморфического или изверженного происхождения.

Пористость можно рассматривать как первичное, так и как вторичное явление. Первичная пористость является наследуемой характеристикой и формируется во время образования породы. Вторичная пористость образуется в результате последующих изменений, которые могут увеличить первоначальную пористость. Вторичная пористость чаще всего образуется в карбонатных породах, хотя и некоторые разновидности песчаников приобретают вторичную пористость в результате выщелачивания карбонатного цемента.

На первоначальную пористость породы влияют неравномерный гранулометрический состав, форма зерен, способ отложений и упаковка осадков, а также уплотнение в процессе осадконакопления и после него.

Теоретически размер зерен не влияет на пористость. На самом деле тонкозернистые отложения характеризуются повышенной пористостью по сравнению с грубообломочными отложениями (табл. 3-11). Однако это наблюдение не устанавливает связи между причиной и следствием, поскольку размер может быть тесно связан с другими свойствами, такими как форма, которая часто является первопричиной отмеченных различий пористости.

Разно- или равнозернистость обломочных частиц имеет принципиальное значение для пористости породы. Обычно максимального значения пористость достигает в породе, сложенной зернами равного размера. Прибавление к такому сочетанию других песчаных зерен, более крупных или мелких по размеру, приведет к уменьшению пористости, и это понижение в определенных пределах прямо пропорционально количеству добавленного материала до тех пор, пока смесь не будет состоять из равного количества всех представленных размеров.

С другой стороны, прибавка глины увеличивает пористость. Однако между распределением зерен по размеру и пористостью не существует простого соотношения. Фрейзер и другие показали, что совершенно различные смеси могут обладать одинаковой пористостью.

Влияние формы зерен на пористость также малопонятно. В общем виде зерна высокой степени сферичности стремятся к упаковке с минимальным поровым пространством. Например, Фрейзер установил, что равномернозернистые пляжевые и дюнные пески, уплотненные в лабораторных условиях, обладают пористостью около 38—39%, в го же время дробленые кварцевые зерна имеют пористость около 44%. Поскольку сферичность дробленых кварцевых зерен около 0,60—0,65, а пляжевого песка, вероятно, около 0,82—0,84, ясно, что форма зерен оказывает незначительное, но ощутимое влияние на пористость. Фрейзер установил, что влияние на пористость наиболее выражено в породе, сложенной исключительно плоской галькой. Определенные обломочные известняки, такие как ракушняки, очень пористы и обнаруживают текстуру типа «жареного картофеля» (potato-chip). Пористость отложений такого типа может достигать 88% Аналогичным образом только что образованные глины обнаруживают очень высокие значения пористости — до 85%.

Способ отложения и упаковка зерен оказывают выраженное влияние на пористость. Для модели, сложенной равными шарами, расчеты показывают, что пористость колеблется от 26 до 48% для наиболее плотной упаковки шаров и наиболее свободного их расположения соответственно. Пористость образца экспериментально уплотненного песка колеблется от 28 до 36%. Однако в природе наблюдается преобладание наиболее плотной упаковки с минимальным объемом пустот, поэтому роль упаковки в общем виде незначительна.

Максимальный эффект оказывает уплотнение на пористость глин и аргиллитов, пористость является функцией глубины погружения в соответствии с выражением:

где P — пористость, р — средняя величина пористости глин на поверхности, b — постоянная, х — глубина погружения. Первоначальная пористость глин может сокращаться более чем наполовину, но во многих случаях уменьшается на 10% и менее. Уплотнением песков, однако, можно пренебречь. Начальная пористость песка (35—40%) может уменьшиться до очень низкого значения за счет растворения и переотложения или выполнения пор принесенным цементом. В среднем пористость песчаников колеблется от 15 до 20%. Высокая пористость некоторых разновидностей песчаников до 85%, например девонской свиты Орискани в центральных Аппалачах, объясняется выщелачиванием первоначального карбонатного цемента.

Проницаемость. Проницаемость — это свойство породы, позволяющее прохождение флюидов без ущерба для ее строения или смещения ее частей. Порода считается проницаемой, если она пропускает через себя ощутимое количество флюидов за определенный отрезок времени и будет непроницаемой, если степень прохождения флюидов назначительна. Очевидно, скорость расхода через данное поперечное сечение зависит не только от породы, но и от характера флюида и гидравлического напора или давления.

Проницаемость пористой среды можно выразить через объем флюида Q (см3/с), проходящий через сечение площадью С (см2) на расстояние L (см). Этот объем прямо пропорционален перепаду давления P (атм) в начальной и конечной точках системы, и обратно пропорционален вязкости флюида V (сП)

где К — коэффициент пропорциональности — означает проницаемость, фактор, характеризующий рассматриваемую породу. Этот коэффициент измеряется в даре и. Песок обладает проницаемостью 1 Д, если он пропускает 1 см3 флюида (вязкостью 1 сП) за одну секунду через сечение площадью 1 см2 при градиенте давления в 1 атм на расстоянии 1 см. Современные пески обладают проницаемостью от 10 до 100 Д и более (рис. 3-40). Ho у большинства сцементированных песчаников проницаемость, вероятно, будет значительно ниже 1 или 2. Поэтому обычно проницаемость приводится в миллидарси (мД)

Трудно преувеличить роль, которую играет проницаемость при изучении коллекторов нефти и водоносных горизонтов. Значительные усилия были затрачены на измерение проницаемости и определение геологических факторов, контролирующих ее. Методика измерения проницаемости детально описана в различных статьях и лабораторных пособиях.

На коэффициент проницаемости К рыхлых песков влияют гранулометрический состав породы, сортировка, форма зерен и упаковка. Влияние размера и его выдержанности на проницаемость изучалось экспериментально. Крамбейн и Монк, например, использовали просеянный песок ледниковых наносов, из которого приготавливалась смесь определенного состава. Поскольку большинство природных песков характеризуется логнормальным распределением, то полученные смеси тоже обнаруживают логнормальное распределение зерен по размеру. Образцы подбирались в группы либо с одинаковым средним размером, но переменным стандартным отклонением (сортировкой), либо с одинаковым стандартным отклонением, но переменным средним размером Таким образом влияние размера и сортировки можно изучать раздельно. Крамбейн и Монк установили, что коэффициент проницаемости колеблется прямо пропорционально квадрату диаметра и обратно пропорционально логарифму стандартного отклонения (рис. 3-41). В природных песчаниках устанавливается тесная связь между проницаемостью и гранулометрическим составом: проницаемость увеличивается с увеличением размера (рис. 3-42).

Форма зерен, слагающих породу, выраженная через их сферичность, влияет на проницаемость вероятно потому, что пески с низкой сферичностью зерен приобретают высокую пористость и свободную упаковку, а следовательно, и повышенную проницаемость.

Проницаемость также зависит от упаковки, поскольку, как мы наблюдали для сфер определенного размера, размеры пор (определяющие проницаемость) зависят от характера упаковки. Поэтому любое изменение упаковки, увеличивающее пористость, приведет к увеличению проницаемости; это заключение было проверено экспериментальным путем. Теоретически проницаемость независима от пористости, хотя очевидно, что непористая порода будет также и непроницаемой. С другой стороны, высокопористая порода не обязательно проницаемая. Мелкозернистые породы, несмотря на высокую пористость, обычно слабо проницаемы. Соотношения между пористостью, проницаемостью и гранулометрическим составом изучались как экспериментальными, так и теоретическими методами, а также чисто теоретическими исследованиями. В первом приближении проницаемость пропорциональна первой производной пористости и обратно пропорциональна второй производной удельной поверхности (см2/см3). Следовательно, чем мельче зерно (и поэтому больше удельная поверхность), тем меньше проницаемость. В песчниках между пористостью и проницаемостью существует грубая корреляция. Проницаемость имеет значительно больший размах величины, чем пористость (рис. 3-43).

В слоистых отложениях проницаемость выше параллельно слоистости. В некоторых песках значение проницаемости изменяется в различных направлениях параллельно слоистости вероятно из-за анизотропной текстуры отложений.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: