Пористость, проницаемость и динамика насыщения пород жидкостями

Пористость — это совокупность пространства между твердой фазой абсолютно сухой породы. Пустоты (поры) в породах могут возникать как в процессе становления самой породы (например, межзерновые пространства), так и в процессе дальнейших ее преобразований (например, микротрещины).

Поры в составе породы обычно имеют форму неправильных многогранников, щелей, эллипсоидов, нитевидных каналов и др. Размеры пустот изменяются от 2' 10~⁴ мм и менее (ультрапористость) до 10~⁴—10″ ² мм (микропористость) и выше (макропористость).

При характеристике пористости следует различать несколько ее видов. Общая (или абсолютная) пористость представляет собой совокупность всех пор в породе, как открытых, так и закрытых. Открытая пористость представляет только поры, которые могут быть заполнены, например, жидкостью. Наконец, эффективная пористость — это часть открытой пористости, по которой при заданных условиях может происходить активная циркуляция жидкостей или газов. Она представляет поры, сообщающиеся между собой и с поверхностью образца, и измеряется в процентах от общего объема образца. Традиционным и самым доступным способом ее определения является метод свободного водонасыщения, использующий, как правило, специально подготовленные плоскопараллельные пластинки, выпиливаемые из отобранных в поле образцов. Рекомендуемые размеры пластинок: толщина 1—1,5 см и площадь более 25 см². В течение нескольких часов пластинки выдерживаются в сушильном шкафу при температуре 105 °C, а затем взвешиваются на аналитических весах. После этого они погружаются в специальную ванночку с жидкостью (водой или керосином) и вновь взвешиваются через фиксированные промежутки времени (от 5—10 мин до нескольких суток). Опыт показывает, что 70—80% открытых пор заполняются жидкостью в течение первых пяти суток. По истечении этого срока образец взвешивается на воздухе и гидростатически в той же жидкости. После этого рассчитывается объемная масса образца и эффективная пористость. Последняя определяется по формуле.

Известно, что две среды с одинаковой пористостью могут играть совершенно различную роль в процессах фильтрации гидротермальных растворов и метасоматоза. Например, некоторые разновидности глинистых пород, обладая довольно высокой пористостью, тем не менее оказываются непроницаемыми экранами на пути рудоносных гидротермальных растворов. Возможное поведение пород в процессе рудообразования определяется не столько величинами их пористости, сколько наличием в них крупных пор, способных пропускать жидкости или газы. Эти крупные поры характеризуют проницаемую эффективную пористость породы. Их наличие и количество определяет проницаемость горных пород.

Проницаемостью называется свойство горной породы как пористой среды пропускать жидкости, газы или их смеси благодаря перепаду давления. Количественно это свойство пород характеризуется коэффициентом проницаемости, для определения которого используются методы ртутной и водно-воздушной (более распространен) порометрии, описанные в специальной литературе.

В процессе многократных взвешиваний постепенно насыщающегося образца рассчитывается соответствующая величина весового насыщения п^:

где Р_Н1 — масса насыщенного образца в некоторый момент времени i (г). Эти данные, характеризующие динамику насыщения пород, затем наносятся на графики «время—объемное насыщение» (рис. 13.1). Такие графики позволяют судить о фильтрационных свойствах образцов, выделяя породы, насыщающиеся в значительной степени уже в первые сутки и потому более благоприятные для гидротермального метасоматоза при рудообразовании. Их нужно отличать от пород, для насыщения которых необходимо 5—10 суток и которые могут играть роль литологических экранов в процессах гидротермального рудообразования.

Таким образом, при определении эффективной пористости и объемной массы горных пород методом свободного водонасыщения жидкостями можно получить дополнительную характеристи;

Рис 13.1. Графики зависимости весового насыщения от времени.

Цифры в кружках обозначают этапы насыщения; m — весовое насыщение, %; t — время, А — условно-мгновенное насыщение; В — постоянная насыщения, W_K — конечная скорость насыщения; W_H — начальная скорость насыщения ку динамики их насыщения, которая будет отражать фильтрационные свойства горных пород и структуру их порового пространства.

Эмпирически установлено, что 30—70% порового пространства почти всех разновидностей горных пород заполняется в первые 15—20 минут после начала насыщения образца. Этот этап характеризуется более высокой скоростью насыщения, чем все последующие этапы. Величина насыщения, измеренная в этот промежуток времени, получила название условно-мгновенного насыщения (А, %) и характеризует самые крупные поры, игравшие наиболее важную роль в процессах рудообразован и я и фильтрации гидротермальных растворов.

Для характеристики скорости насыщения образца, которая не зависит ни от длительности опыта, ни от эффективной пористости, а является независимой характеристикой физических свойств горных пород, используется постоянная насыщения (В, ч^-1), которая рассчитывается по формуле.

где — полное насыщение образца породы; т₀ — предельное насыщение образца в режиме экспоненциальной зависимости (ш₀= A); t_k — время окончания условно-мгновенного насыщения (обычно 0,1—0,2 ч); Ш| — объемное насыщение образца в момент времени t.

Поскольку в процессе насыщения взвешивание частично насыщенного образца производится несколько раз, постоянная насыщения может быть рассчитана для нескольких моментов времени, однако надежной характеристикой свойств образца является среднее значение этого показателя:

Дополнительные сведения о динамике насыщения породы жидкостями могут быть получены путем расчета периода полунасыщения Т|_/2, который показывает, за какое время, начиная с момента t_k, достигается насыщение образца, равное 0,5 гп₀:

Показатель В служит для установления групп пород, различающихся по динамике насыщения, и характеризует структуру перового пространства. Опыт показывает, что породы с низкими значениями, А и В могли играть роль экранов для рудоносных растворов, в то время как породы с высокими значениями этих показателей чаще являются рудовмещающими. Таким образом, анализ пористости, проницаемости и динамики насыщения различных пород, слагающих некоторую рудовмещающую толщу, полезен для определения возможной роли этих образований в процессах формирования рудных тел.