Лекции Физика горных пород 2021. Конспект лекций по дисциплине Физика горных пород

• Название: Конспект лекций по дисциплине Физика горных пород
• Дата: 14.03.2022
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: Лекции Физика горных пород 2021.doc
• Тип: Конспект лекций; #396670
• страница: 3 из 9

Лекция № 7

Тема : ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

План лекции (с.80-85/1/):

1. 
   Содержание жидкостей и газов в породах.
   
2. 
   Перемещение жидкостей и газов в породах
   

1. 
   Содержание жидкостей и газов в породах.
   

Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.

Химически связанная вода наряду с другими молекулами и ионами входит в состав кристаллической решётки минералов, например гипса CaSO₄·2H₂O. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое – безводное соединение.

Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твёрдыми частицами пород, обволакивая их в виде плёнки. Её количество зависит от смачиваемости пород.

Смачиваемость – это способность горной породы покрываться плёнкой жидкости. Смачиваемость пород обусловлена адсорбционной способностью, т.е. способностью концентрировать на своей поверхности молекулы жидкости за счёт электростатического притяжения. Большинство пород относится к хорошо смачиваемым водой (гидрофильным). Частично или полностью несмачиваемы (гидрофобны) сера, угли, битуминозные песчаники и некоторые другие породы.

Физически (прочно) связанная вода не перемещается в породах, имеет высокую плотность (до 1,74·10³ кг/м³), низкую температуру замерзания

(-78ºC), малые значения теплоёмкости. Она удаляется из породы только нагреванием свыше 105-110ºC.

Максимальное количество связанной воды, которое способны адсорбировать породы, оценивается показателями максимальной гигроскопичности и максимальной молекулярной влагоёмкости.

Максимальная гигроскопичность ω_г – наибольшее количество влаги, которое способна адсорбировать на своей поверхности горная порода из воздуха с относительной влажностью 94%.

Молекулярная, или плёночная влагоёмкость ω_м – количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы:
ω_м = (m_м – m_c)/ m_c
где m_м- масса влажного образца породы; m_c –масса образца породы, высушенного при температуре 105-110˚С.
ω_м > ω_г
Влажные породы обладают способностью избирательно адсорбировать наряду с водой ионы из насыщающего породу раствора, т.е. обладают ионосорбционной способностью. Это явление важно при изучении электрохимических реакций в породах, электрической проводимости и электрических полей в массивах.

Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в мелких порах силами капиллярного поднятия, и в виде гравитационной воды , заполняющей крупные поры и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или давления.

Количество капиллярной воды оценивается параметром капилярной влагоёмкости.

Максимальное количество связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется её полной влагоёмкостью (массовой и объёмной).

Массовая полная влагоёмкость
ω_п = (m_n – m_c)/ m_c
Объёмная полная влагоёмкость
ω_п.об = V_ж/ V = ω_пρ/ρ_ж
где m_n – масса породы, максимально насыщенной водой; V_ж- объём воды, заполняющей породу [V_ж = (m_n – m_c)/ ρ_ж ]; V – объём породы; ρ_ж - плотность воды; ρ –объёмная масса породы.

По величине объёмная влагоёмкость примерно равна открытой пористости пород.

Для оценки породы в естественном состоянии пользуются параметром естественной влажности ω_е, равным относительному количеству воды, содержащейся в породах в природных условиях, и коэффициентом водонасыщенности k_вн, указывающим на степень насыщения породы водой.
k_вн = ω_е/ω_п = V_в/ V_п
где V_в и V_п – объём воды и пор в породе соответственно.

Извлечь всю воду из увлажнённой породы механическими средствами невозможно. При любом механическом воздействии в породе остаётся физически связанная вода. Способность породы отдавать воду при механическом воздействии характеризуется водоотдачей ξ:
ξ = ω_п – ω_м
Величина водоотдачи зависит от размеров частиц, образующих породу, величины и взаимного расположения пор. Слабая водоотдача пород обычно снижает производительность механической и гидравлической разработки пород, затрудняет осушение месторождения, транспортирование и дробление полезного ископаемого.

В породах кроме воды встречаются также нефть и газы.

Характер распределения в порах воды, нефти и газа предопределяет многие физические свойства этих пород, в частности очень сильно сказывается на их электросопротивлении.

В общем случае сумма объёмов нефти V_н, газа V_г и воды V_в в нефтегазоводонасыщенных породах равна объёму порового пространства пород V_п и, следовательно,
V_н/ V_п + V_г/ V_п + V_в/ V_п = 1
Отношение V_н/ V_п , V_г/ V_п ,V_в/ V_п называются относительными коэффициентами соответственно нефтенасыщенности k_н,газонасыщенности k_г и водонасыщенности k_вн.
2. Перемещение жидкостей и газов в породах
Жидкости и газы способны перемещаться по поровым каналам и трещинам породы. Свойство породы пропускать сквозь себя флюиды называется её проницаемостью.

Проницаемость бывает физическая (абсолютная) и фазовая (эффективная).
Физическая проницаемость – это проницаемость в случае фильтрации через породу однородной жидкости или газа. Фазовая проницаемость – это способность пород, насыщенных неоднородной жидкостью, пропускать отдельные её фазы.

Численно величина проницаемости описывается коэффициентом проницаемости k_пр (м³).
В практике горного производства широкое распространение получил коэффициент фильтрации k_ф. Практически он представляет собой скорость фильтрации газа или жидкости через породы:
k_ф= Q/(tS)
где Q –количество жидкости (м³), t – время фильтрации, S – площадь поперечного сечения образца.

Коэффициент фильтрации k_ф не учитывает влияния напора воды.
В зависимости от значения коэффициента фильтрации породы подразделяют на: 1. водоупорные k_ф<0,1 м/сут

2. слабопроницаемые 0,1 м/сут ≤ k_ф≤10 м/сут

3. среднепроницаемые 10 м/сут ≤ k_ф ≤1000 м/сут

4. легкопроницаемые k_ф> 1000 м/сут
Водопроницаемость в основном зависит от размера пор, их общего объёма в породах и конфигурации; поры определяют оюъём фильтрирующейся жидкости, траектории струй и силы трения, препятствующие движению. В общем случае проницаемость возрастает с увеличеснием пористости пород, особенно открытой, однако бывают и отклонения от этой зависимости

Сверхкапиллярные поры пропускают жидкости под действием силы тяжести или давления по обычным законам гидродинамики.

В капиллярных порах движение жидкости происходит вследствие сил капиллярного притяжения. Под действием давления жидкость в капиллярах будет двигаться лишь тогда, когда оно превысит молекулярные силы притяжения.

Субкапиллярные поры жидкости практически не пропускают. Именно поэтому глины относятся к водоупорным, несмотря на их высокую пористость (50% и более). Почти вся вода в них находится в связанном состоянии и препятствует перемещению гравитационной воды. И наоборот, скальные породы могут иметь малую пористость, но обладать большой проницаемостью. У этих пород различают проницаемость межгранулярную и трещинную, из которых последняя значительно больше.

Слоистым породам присуща анизотропия водопроницаемости: проницаемость вдоль напластования больше, чем перпендикулярно к нему.

На водопроницаемость рыхлых пород влияет также их минеральный состав. Минералы с хорошо выраженной спайностью пропускают воду довольно слабо, так как в них при прочих равных условиях образуются поры меньших размеров, чем в минералах, не обладающих спайностью и хорошо откатанных. Вода лучше проходит через породы, сложенные минералами, обладающими хорошей смачиваемостью.

В случае циркуляции газов в породах пользуются понятием газопроницаемости пород: физическая сущность газопроницаемости подобна водопроницаемости.