Методы гранулометрического состава горных пород

1. Ситовой способ гранулометрического анализа.

Приборы, оборудование и материалы:

1. Чугунная ступка с пестиком.

2. Набор из N сит с диаметром отверстий d1, d2 ….dN.

3. Аналитические весы.

4. Виброустановка.

Порядок выполнения работы:

1. Отмытый от углеводородов и солей образец высушивают при t=103-105° С до постоянной массы mс.

2. С помощью чугунной ступки и пестика образец дезинтегрируют и определяют массу навески твердой фазы mтв.

3. Размещают сита друг на друге в порядке увеличения диаметра отверстий. 4. Дезинтегрированный образец помещают в верхнее сито с ячейками наибольшего размера.

5. Систему сит помещают в виброустановку.

6. Время работы виброустановки выбирают экспериментально по стабилизации массы навесок.

7. Определяют массовую долю каждой навески как отношение массы навески к массе твердой фазы. Результаты записывают в таблицу 7.

8. Для каждого интервала вычисляется функция Крамбейна или Батурлина по формуле (1) или (2).

9. Результаты гранулометрического анализа образца записывают в виде таблицы, аналогичной таблице 4.

10. Строят частотную гистограмму и кумулятивную кривую гранулометрического состава.

11. Анализируют полученные распределения и делают выводы о принадлежности образца горной породы к тому или иному литотипу.

№	Массовая доля частиц, %
обр	>d1	d1- d2	d3- d4	...	<dN

2. Седиментационное разделение частиц по фракциям происходит вследствие различия скоростей оседания зерен неодинакового размера в вязкой жидкости. По формуле Стокса скорость осаждения в жидкости частиц сферической формы

v = gd² /18v (р_п /р_ж -1) (*)

где g — ускорение свободного падения; d — диаметр частиц; v — кинематическая вязкость; рж — плотность жидкости; рп — плотность частицы породы.

Существуют различные мнения о пределах и условиях применимости закона Стокса. Считается, что формула (*) справедлива для частиц диаметрами 0,1 — 0,001 мм. При меньшем размере на скорость осаждения частиц влияют броуновское движение и слои адсорбированной воды.

Формула Стокса справедлива при свободном (нестесненном) движении зерен; чтобы концентрация частиц не влияла на скорость их осаждения в дисперсной среде, массовое содержание твердой фазы не должно превышать 1 %.

Существует много методов седиментационного анализа. В лабораториях по исследованию грунтов широко применяют способы отмучивания током воды и путем слива жидкости (метод Сабанина) используется для анализа алевритовых пород, имеющих небольшое содержание (не свыше 10%) частиц диаметром < 0,01 мм. Он позволяет выделить следующие фракции: ˃0.25; 0.25 – 0.05 – 0.01 и ˂ 0,01мм (Ломтадзе 1945), а также метод взвешивания осадка при помощи весов Фигуровского.

Таблица 5

Классификация песчаников, алевролитов и глин по соотношению содержания обломков.

Горная порода	Соотношение содержания частиц, %
Песчаник алевристистый Алевролит песчанистый Песчаник глинистый Алевролит глинистый Глина опесчанинная Глина алевритистая	Песок >80, алеврит > 10, остаток <10 Алеврит >80, песок > 10, остаток <10 Песок >80, глина > 10, остаток <10 Алеврит >80, алеврит > 10, остаток <10 Глина >80, песок > 10, остаток <10 Глина >80, алеврит >10, остаток <10

Рис. 1. Схема весов Фигуровского. 1 — стеклянный стержень; 2 — нить; 3 — цилиндрический сосуд; 4 — стеклянный диск; 5 — отсчетный микроскоп

При отмучивании током воды грунт помещают в конический или цилиндрический сосуд, через который воду направляют снизу вверх. Регулированием скорости движения воды добиваются выноса из пределов сосуда частиц определенного диаметра, значение которого можно определить по формуле Стокса.

При сливе жидкости происходит отделение медленно оседающих мелких частиц от быстро оседающих (более крупных и тяжелых) при сливе жидкости, содержащей еще не осевшие частицы на дно сосуда.

Наиболее совершенный метод седиментационного анализа — взвешивание осадка. Осадок в процессе седиментации взвешивается с помощью весов Фигуровского (рис. 1.) или автоматических седиментационных весов (например, модели ВСД-1/50 мкм). В приборе Фигуровского в качестве элемента, воспринимающего нагрузку, используется стеклянный кварцевый стержень (коромысло) 1. В приборе ВСД-1/50*, предназначенном для гранулометрического анализа дисперсных частиц крупностью от 1 до 50 мкм, осадок взвешивается с помощью электрических весов с автоматической регистрацией и записью массы выпадающего осадка во времени. Наибольший предел регистрируемой массы осадка составляет 500 мг. Хорошо перемешанную суспензию вливают в цилиндрический сосуд 3, в который опускают тонкий стеклянный диск 4, подвешенный на плечо весов Фигуровского.

Выпадающие частицы суспензии отлагаются на стеклянном диске. По мере отложения осадка равно-весие весов нарушается и для восстановления его требуется дополнительная нагрузка. Регистрируя время и нагрузки, получают данные, которые затем обрабатывают.

.

Рис. 1. Седиментометр. 1 – стеклянный кран; 2 – пипетка 3 – мешалка; 4 – градуированный цилиндр; 5 – стеклянный термостат.

Формула (1.1) справедлива при свободном нестесненном движении зерен; чтобы не было влияния концентрации частиц на скорость их падения в дисперсной среде, содержание твердой фазы в суспензии не должно превышать по весу 1 %.

Приложение формулы Стокса для седиментационного анализа рассмотрим на примере пипеточного метода.

Из фракции песка, прошедшей сито с наименьшими отверстиями, отбирают навеску в 10 г и перемешивают ее в воде в цилиндре емкостью 1 л, помещенном в баню (рис. 1). В цилиндр вставляется пипетка (2) с глубиной спуска ее кончика около h=30 см

Рис. 2. Кривая суммарного

гранулометрического состава.

Ряс. 3 Кривая распределения зерен по размеру.

Допустим, что необходимо определить в песке количества частиц, меньших d₁. Для этого при помощи формулы (1.1) вычисляют время t₁ падения частиц размером d₁ до глубины спуска пипетки h. Очевидно, что при отборе пипеткой пробы с глубины h через время t₁ в пипетку войдут только те частицы, диаметр которых меньше d₁ так как ко времени t₁ после начала осаждения частиц все более крупные зерна будут ниже кончика пипетки. Далее, высушив содержи­мое пипетки, определяют количество всех частиц, имеющих диаметр меньше или больше, чем d₁ находившихся в суспензии, что легко сделать, так как масса всей навески, объем пипетки, вес сухого остатка в ней и объем жидкости в цилиндре известны. Отбирая последующие пробы через другие интервалы времени от начала отстаивания суспензии, точно так же определяют в анализируемой пробе содержание более мелких фракций.

Существует большое разнообразие методов седиментационного анализа. Наибольшее распространение в лабораториях по исследованию грунтов получили методы отмучивания током воды, отмучивания сливанием жидкости (метод Сабанина) и метод взвешивания осадка при помощи весов Фигуровского.

При отмучивании током воды грунт помещают в конический или цилиндрический сосуд, через который создают ток воды, направленный снизу вверх. Регулируя скорость движения воды, добиваются выноса из пределов сосуда частиц определенного диаметра, величина которого также может быть определена при помощи формулы Стокса.

При отмучивании сливанием жидкости частицы разного размера разделяют путем слива после определенного времени отстаивания верхней части столба суспензии с мелкими частицами, не успевшими осесть на дно сосуда.

Наиболее совершенный метод седиментационного анализа - взвешивание осадка. Хорошо перемешанную суспензию вливают в цилиндрический сосуд, в который опускают тонкий стеклянный диск, подвешенный на плечо седиментометрических весов Н. А. Фигуровского. Выпадающие частицы суспензии отлагаются на стеклянном диске. По мере отложения осадка равновесие весов нарушается и для восстановления его требуется дополнительная нагрузка. Регистрируя время и нагрузки, получают данные, которые затем обрабатывают и приводят в обычный для анализа вид: результаты анализа механического состава пород изображаются в виде таблиц или графиков суммарного состава и распределения зерен породы по размерам (рис. 2 и 3). Для построения первого графика по оси ординат откладывают массовые концентрации в процентах, а по оси абсцисс — диаметр d₁ или логарифм диаметра частиц l_gd.

При построении второго графика по оси абсцисс откладывают диаметры А частиц, а по оси ординат — массовые концентрации в процентах каждой фракции в исследуемой породе.

Отношением d₆₀ / d₁₀ принято характеризовать степень неоднородности песка,

где d₆₀ — диаметр частиц, при котором сумма масс фракций, начиная от нуля и кончая этим диаметром, составляет 60% от массы всех фракций (точка 2, рис. 2), а d₁₀ — аналогичная величина для 10% точки кривой суммарного гранулометрического состава (точка 5, рис. 2). По диаметру, соответствующему точке 1, подбирают отверстия фильтров нефтяных скважин.

Коэффициент неоднородности зерен пород, слагающих нефтяные месторождения, обычно колеблется в пределах 1,1—20.

МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ФРАКЦИЙ

Коллоидно-дисперсные минералы, сложенные частицами весьма малых размеров и образующие тесные смеси с другими минералами, требуют особых методов выделения и разделения.

Вначале для удаления карбонатов, метающих выделению тонких фракций, породу обрабатывают соляной кислотой. Установлено, что при этом основная часть коллоидно-дисперсных минералов (силикаты, алюмосиликаты и др.) не разрушается.

Для выделения коллоидно-дисперсных минералов, кроме отмучивания применяют центрифуги, при помощи которых можно выделить частицы вплоть д 0,01 мкм (микрона). Методом седиментации столь малые частицы выделит затруднительно — они испытывают механическое воздействие воды, так ка вследствие влияния броуновского движения больше становится траектория падения частиц. В этих условиях для расчета скорости падения частиц формула Стокса не применима. В центрифугах же броуновское движение подавляется вектором центробежной составляющей силы, и оно не скапывается на фракционировке анализируемых частиц.

Важной константой, которая используется при разделении и определении минералов, служит их плотность. Несмотря на то, что осадочные образован

имеют сложный минералогический состав, приближенным методом определения плотности путем применения набора так называемых «тяжелых жидкостей» удается выделить некоторые группы минералов. Метод основан на подборе жидкостей определенных плотностей, при помощи которых выделяются мине­ралы с плотностью, меньшей или большей плотности жидкости. При достаточно большом выборе тяжелых жидкостей плотность минеральных зерен удается определить с точностью до первого десятичного знака.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТНОСТИ ПОРОД

Важное значение для промысловой практики имеет карбонатность пород, т. е. содержание в них солей угольной кислоты — известняка СаС0₃, доломита СаС0₃ • MgC0₃, сидерита FeC0₃ и т. д.

Карбонатность нефтяных коллекторов колеблется в широких пределах. Некоторые породы содержат карбонаты в небольшом количестве в виде цементирующего вещества, а другие почти целиком сложены карбонатами.

Определение карбонатности пород основано на химическом разложении содержащихся в них карбонатов и на учете количества выделившегося углекислого газа объемным или весовым способом.

В лабораториях физики пласта получил распространение объемный газометрический способ измерения карбонатности пород. Выделившийся в специальном приборе вследствие взаимодействия карбонатов с соляной кислотой углекислый газ улавливается в измерительном устройстве [2].

Подсчет величины карбонатности ведется по отношению к СаСОз, так как известняк составляет основную часть карбонатов породы. По объему выделившегося СО2 массовую концентрацию в процентах карбонатов в породе определяют по формуле

где к_а — содержание СаС0₃ в породе в процентах; V — объем выде-

о

лившегося СО2 в м; а — масса исследуемого образца породы в кг; р—

о

плотность С0₂ в кг/м при температуре опыта (берется из таблиц).

Подобные анализы используются для установления целесообразности солянокислотных обработок забоев скважин с целью увеличения пропускной способности пород. Содержание карбонатов может также быть дополнительным фактором при корреляции пластов.

Таблица 2.3.

Пример числовых данных о содержании частиц в породе

Диаметр фракции (от и до)	Середина интервала	Массовая доля ni, %	Кумуля-тивная массовая доля, %
d, мм	Ф	d, мм	Ф/g
0,5-0,25 0,25-0,125 0,125-0,0625 0,0625-0,0312 0,0312-0,0156 0,0156-0,0078 0,0078-0,0039 потери от HCl	1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 -	0,375 0,187 0,094 0,047 0,023 0,012 0,006 --	1,5/4,2 2,5/7,5 3,5/10,5 4,5/13,2 5,5/16,2 6,5/19,0 7,5/22,2 --

Рис. 2.1. Частотная гистограмма (а) и кумулятивная кривая (б).

Существует несколько способов классификации осадочных пород по структурным признакам или по принадлежности их к тому или иному литологическому типу. В таблице 5 приведена классификация песчаников, алевролитов и глин по размерам зерен и по соотношению содержания в породе зерен каждой фракции.

Таблица2.5

Классификация обломочных горных пород по структурным признакам

Порода	Размер зерен, мм
Песок крупнозернистый Песок среднезернистый Песок мелкозернистый Алеврит крупнозернистый Алеврит мелкозернистый Глина (аргиллит)	1,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,05-0,01 <0,01

1. Практическая часть

Задание. Построить частотные и кумулятивные кривые распределения гранулометрического состава образцов горных пород. Выполнить анализ полученных кривых. Определить литологический тип каждого образца породы.