книги / Физические свойства осадочных пород при высоких давлениях и температурах

видно из рис. 41, при увеличении внутреннего давления рп и иР уменьшаются. Однако удельное сопротивление под действием внутреннего давления, как и под действием внешнего давления изменяется в значительно большей степени, чем скорость продоль­ ных волн. При этом уменьшение удельного сопротивления от вну­ треннего давления больше, чем увеличение его от внешнего давле­ ния. То же самое наблюдается и в отношении Ур, однако разница в воздействии внутреннего и внешнего давления на скорость меньше.

Если сравнить воздействие внешнего, внутреннего и дифферен­ циального давлений на физические параметры пород (рис. 42),

'Гр, к п ]сек

Рис. 41. Влияние порового давления на удельное электрическое сопротивле­ ние (а) п скорость распространения продольных волн (б) песчаника с гли­ нисто-кремнистым цементом.

Шифр кривых — значения ре в кГ/см-.

то видно, что основное влияние на физические параметры оказы­ вает дифференциальное давление. При постоянном дифференци­ альном давлении максимальное изменение Vр и рп наблюдается при небольших значениях внутреннего давления. При дальнейшем увеличении р 1 изменение сопротивления и скорости происходит более медленно.

Значения 1>р и рп при различных соотношениях внешнего

и пластового давлений можно использовать для расчета коэффи­ циента п по следующим соотношениям:

(ЮЗ)

(104)

Щ

где Дре и Др ( — изменения внешнего и внутреннего давлений, при которых значение физического параметра х остается постоянным.

Результаты расчетов п для песчаников с глинисто-слюдистым цементом приведены в табл. 17. Как видно, коэффициент п по

Рпс. 42. Влияние внешнего, внутреннего и дифферен­ циального давлений на пр (а) п рп (б) песчаника с глинисто-

слюдистым цементом.

Шифр пунктирных кривых — значения рд в к Г/см2.

данным удельного сопротивления при низких дифференциальных давлениях близок к единице, а при высоких давлениях изменяется в диапазоне от 1,0 до 2,65. По мере возрастания внешнего давления при постоянном р( коэффициент п увеличивается. Повышение внутреннего давления при постоянном внешнем приводит к умень­ шению значения п. Коэффициент разгрузки по ,данным , скорости

Примечание. Вчислителе указанысредние значения л, вычисленыепо нзмеренилмрп, в зпаменателс —по дан ым1>р.

упругих волн почти во всем диапазоне давлений близок к единице и по мере повышения внешнего давления увеличивается от 0,84 до 1,3. Значения га, вычисленные по данным скорости продольных волн для песчаников и известняков по материалам Ж. Ла-

зующий степень влияния внутреннего давления относительно внешнего, для различных физических параметров пород оказы­ вается разным. При этом влияние внутреннего давления на физи­ ческие параметры тем больше, чем выше внешнее давление и меньше внутреннее. Различие степени влияния внутреннего давления на физические параметры обусловлено как относитель­ ным изменением норового объема породы, так и структурными изменениями и связью физических параметров со структурой. При оценке влияния внутреннего давления на удельное сопро­ тивление и скорость ошибочно учитывать только величину сжи­ маемости породы, так как рп и гаР тесно связаны не только с поровым объемом, но и со структурными особенностями пород. Под действием внутреннего давления в породе происходит изменение структуры тонкопроводящих каналов и контактов зерен, приводя­ щее к изменению электропроводности и скорости прохождения упругих волн. Это особенно заметно при высоких внешних давле­ ниях.

значения коэффициентов их теплового объемного расширения. Это, естественно, приводит к снижению роли объемного расшире­ ния породообразующих минералов в процессе изменения струк­ туры пород от температуры, поскольку превалирующее значение в этом случае имеет объемное изменение глинистых включений.

Производная скорости поперечных волн по температуре для кварца имеет положительный знак. Аномальное поведение ско­ рости 1>р кварца под влиянием температуры отражается, и на

зависимости коэффициента Пуассона р, от температуры. С увели­ чением температуры для кварца, а также пород, содержащих в большом количестве кварц, изменение отношения скорости продольной волны к скорости поперечной волны под влиянием температуры будет максимальной.

Из данных табл. 18 также следует, что в пределах температур, соответствующих глубинам 5—10 км, физические характеристики минералов изменяются незначительно. При среднем градиенте

скорости для кварца 2,7 • 10~4 изменение температуры на

200° С снижает уР на 54 м/сек.

Более существенно температура влияет на физические свойства жидкой фазы пород. Удельное электрическое сопротивление пла- * стовых вод в диапазоне, характерном для глубин до 7—10 км, с увеличением температуры может понижаться почти на два по­ рядка, а скорость распространения продольной волны — на 50— 70%. С увеличением температуры меняются также плотность и сжимаемость флюидов.

I/ Способность некоторых минералов растворяться зависит, как известно, от температуры. Поэтому изменение химического воз­ действия электролита на твердую фазу пород и растворение не­ которых минералов при высоких температурах также могут являться причиной изменения физических свойств пород при повышении температуры.

Немаловажным фактором, влияющим на физические свойства осадочных пород, является наличие в порах свободного газа. Последний при высоких температурах растворяется в жидкой фазе, изменяя не только ее свойства, но и свойства скелета породы из-за замещения объема, занимаемого газом, жидкой фазой.

К числу структурных изменений, возникающих при повышении температуры, следует отнести дополнительное уплотнение пород под действием механических напряжений за счет повышения пластичности некоторых минералов с увеличением температуры. Другие минералы, наоборот, с ростом температуры теряют пла­ стичность и становятся хрупкими [73]. При этом прочность на сжатие этих минералов снижается [82], что, естественно, приводит к образованию в породе микротрещин, обусловленных действием дифференциального давления.

Термонапряжения, возникающие в породе при росте темпе­ ратуры, также приводят к изменению структуры пород. Известно,

С учетом выражений (55) и (112) полная относительная де­ формация объема пор породы со свободно размещенными в перо­

Дифференциальные уравнения объемной деформации скелета и твердой фазы на основании выражений (54), (56), (111) и (ИЗ)

Таким образом, физические свойства пород при повышении температуры меняются не только из-за изменения характеристики отдельных фаз пород, но и вследствие деформации скелета и норо­ вого объема.

1. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ УПРУГИХ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН

Первые экспериментальные исследования упругих характе­ ристик магматических пород, проведенные Ф. Берчом, X. Хыозом, М. П. Волоровичем и А. С. Гурвичем [231, указывают на сложную

логичная зависимость Vр от температуры свойственна воде, когда концентрация растворен­ ных в ней солей навелика.

Для сцементированных пород, поры которых заполнены флю­ идом в газообразном или жидком состоянии, наблюдается более слояшая зависимость. Результаты изучения влияния изменения температуры на иР более 50 образцов различного литологического состава при разных дифференциальных давлениях приведены

на рис. 43. В высокопористых сцементированных песчаниках, насыщенных аналогом пластовых вод, скорость продольных волн при дифференциальном давлении 50—100 кГ/см2 незначительно повышается с ростом температуры до 50—60° С. В низкопористых песчаниках, алевролитах, известняках и глинах в диапазоне температур 20—90° С ир монотонно уменьшается. Уменьшение не превышает 5 —10% и зависит от типа породы и цементирующего вещества. Минимальное изменение скорости (2—5%) свойственно низкопористым кварцевым песчаникам; в глинах и известняках скорость иР понижается до 10%. Для нйзкопористых песчаников с глинистым и карбонатным цементом изменение Vр обычно меньше, чем у глин и известняков, но больше, чем для кварцевых песчаников с незначительным количеством кремнистого цемента.

В диапазоне температур от 90—110 до 150° С почти для всех пород наблюдается излом монотонной кривой иР = / (I) в сторону более сильного уменьшения скорости. Максимальное падение скорости до 20% наблюдается в глинах и известняках, минималь­

С увеличением дифференциального давления для водонасыщен­ ных пород относительное уменьшение скорости от температуры снижается. Особенно уменьшается амплитуда резкого снижения Vр во втором диапазоне температуры (90—150° С). Рост дифферен­ циального давления одновременно с уменьшением амплитуды скачка приводит также к расширению первого диапазона зависи­

Для газонасыщенных пород (рис. 44) так же, как и для водо­ насыщенных, относительное изменение ир от температуры зависит как от состава пород, так и от дифференциального давления. Максимальное понижение ир наблюдается у глин и высокопо­ ристых известняков. Это изменение при повышении температуры до 150—160° С достигает 10%, тогда как у высокопористых алев­ ролитов (кп = 25—30%) изменение уР с ростом температуры до 200—220° С не превышает 5—8%. У алевролитов с карбонатным цементом (кп = 2—3%) уменьшение иР также не превышает 5% при росте температуры до 200° С.

Для нефтенасыщенных пород уменьшение скорости продольных волн с повышением температуры по абсолютной величине больше, чем для газоиасыщенных и водонасыщепных (рис. 44). Для не­ которых высокопористых пород (известняков с &п = 20—25%,

песчаников с /гп = 18—25%) иР с ростом температуры до 200° С уменьшается до 30%. Характерной особенностью изменения нефтенасыщенных пород является более равномерный градиент <1иР/сИ во всем диапазоне исследуемой температуры. Если для водонасыщенных пород максимальное снижение иР наблюдается в диапазоне I = 90—150° С, то для нефтенасыщенных пород, начиная с температур 40—50° С, скорость заметно уменьшается. Анализ результатов изучения влияния на иР нефтенасыщенных

^ Р (2 0 °С )

Рис. 44. Изменеиие скорости продольных волн под действием температуры для газонасыщепных (а) и нефтеиасыщенных (б)

осадочных пород.

1 — песчаник; 2 — нзнсстнлк; з —. плещи):

пород также указывает на зависимость относительного измене­ ния VР как от литологического состава породы, так и от пористости (табл. 19). При этом с увеличением дифференциального давления изменение V? нефтенасыщенных пород от температуры так же, как и водо- и газонасыщенных пород, уменьшается.

Т а б л и ц а 19

Относительное уменьшение скорости продольных воли нефтенасыщенных осадочных пород при повышении температуры до 150° С (Р4 = Ю0 кГ/см2)